Nichttextile Faser und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung der Faser Alkalisilikate lassen sich bei vorsichtiger Behand lung zu dünnen Gespinsten verformen, die durch Blasen mit einem heissen Gasstrom zu Fasern ausge zogen werden, deren Dicke 1 Mikron oder weniger beträgt. Diese sehr feinen Fasern können nach dem Verfahren des Patentes Nr.355570 der gleichen Anmelderin durch Auslaugung von der Alkalikom- ponente befreit werden, wobei man praktisch reine, wertvolle Siliziumdioxydfasern erhält.
Die den Gegenstand der Erfindung bildende neue Faser ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer glasartigen, wasserfreien oder chemisch gebundenes Wasser enthaltenden und im übrigen praktisch nur aus Siliziumdioxyd und einem Erd'- alkal.ioxyd zusammengesetzten Masse besteht und einen Durchmesser von nicht mehr als 1 Mikron besitzt.
Derartige Fasern eignen sich speziell für die Herstellung verfilzter Fasermassen, insbesondere für die Herstellung von Glasfaserpapieren, die ausge zeichnete Filtriereigenschaften aufweisen. Die Erfin- dung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Her stellung dieser Faser, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man aus einer Alkalisilikatglasfaser mit einer wässrigen Lösung eines Erdalkalisal'zes, dessen Anion mit dem Alkalimetall ein wasserlösliches Salz bildet, das Alkali auslaugt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird zweckmässig wie folgt vorgegangen: Man bildet zunächst ein Glasgespinst, aus dem das Alkalioxyd an sich ausgelaugt werden könnte. Dieses Gespinst hat zweckmässigerweise einen Durchmesser im Bereiche von 0,050-0,178 mm. Zweckmässiger weise wird dieses Gespinst jedoch schon vor dem Auslaugen durch Blasen auf eine Feinheit von 1 Mi- kron oder weniger ausgezogen, da diese dünnen Fa sern sich leichter auslaugen lassen und ein Produkt mit optimaler Festigkeit darstellen.
Bei der Auslaugung mit einer Lösung eines wasserlöslichen Erdalkalisalzes wird das Alkalioxyd mindestens teilweise durch das Erdalkalioxyd ersetzt. Die Operation wird durch Auswaschen mit Wasser beendigt. Als lösliches Salz bevorzugt man Kalziumchlorid, da es verhältnismässig billig und im Handel in guter Qualität erhältlich ist. Doch kann man auch z. B. Bariumchlorid in Lösung verwenden.
Das nach dem Erhitzen der Fasern erhaltene Pro dukt ist eine weissliche Fasermasse, die sich leicht zu einem papierartigen Blattmaterial verarbeiten lässt, das sich sehr gut zur Verwendung als Filter eignet. Offenbar weisen diese feinen Fasern, insbesondere wenn sie aus Si02 und CaO bestehen, eine Ionen austauschwirkung auf.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird unab hängig von der Art des löslichen Metallsalzes zweck mässig immer gleich durchgeführt. Der Vorgang wird durch Erhitzen der Lösung beschleunigt und man kann mit den sehr dünnen Fasern bei Temperaturen bis zum Siedepunkt der Lösung arbeiten. Obschon bei diesen Fasern die Auslaugung schon bei Zimmer temperatur vor sich geht, wird durch Kochen der Prozess wesentlich beschleunigt und die Extraktion des Alkalis zu Ende geführt.
Das Alkalisilikat ist zweckmässigerweise Natrium silikat, Kaliumsilikat oder auch ein Gemisch der bei den. Es wird vorgezogen, das Verhältnis von Si02 zu Alkalioxyd hoch, jedoch nicht über 4 :
1 zu halten, da die Möglichkeit der Entglasung des Silizium- dioxyds in einem Alkali-Siliziumoxyd-System bei über 50 % Si02 Gehalt rasch zunimmt. Anderseits emp- fiehlt es sich aber, das Verhältnis SiO2 zu Alkalioxyd nicht zu sehr herabzusetzen,
da dann zu viel Alkali oxyd entfernt werden muss und zudem die chemische Beständigkeit und Festigkeit des Endproduktes infolge des geringeren Si02 Gehaltes vermindert werden.
Das in der Faser enthaltene Alkali wird nicht vollständig durch das Erdalkalioxyd ersetzt. Es wurde allgemein festgestellt, dass bei der Auslaugung sowohl Wassermoleküle als auch Metalloxydmoleküle in die Faserstruktur eintreten. Vor dem Erhitzen der Faser ist in der Regel das Wasser in grösserem Ausmass zugegen als das Metalloxyd, doch kann, man die Wassermoleküle praktisch vollständig entfernen, indem man auf etwa 537 C und leicht darüber erhitzt, wobei kein schädigender Einfluss auf die Faser statt findet.
Es ist nicht notwendig, das chemisch gebundene Wasser aus der nur getrockneten Faser auszutreiben, um das Produkt verwendbar zu machen; auch wasser haltige Fasern können z. B. als Isoliermaterial für Feuerschutzkleidungen verwendet werden. Während des Gebrauchs geht das Wasser nach und nach ohne Faserschädigung verloren.
<I>Beispiel</I> Ein aus Sand und Soda (Na2C03) zubereiteter Glasansatz, der aus etwa 74,5 % Siliziumdioxyd und 25,0 % Natriumoxyd sowie 0,5 0/a R203 besteht, wird geschmolzen und zu Gespinsten von etwa 0,051 bis 0,
102 mm Durchmesser ausgezogen. Diese Gespinste werden dann durch einen heissen Gasstrom von. 1650 bis 1815 C und einer Geschwindigkeit von 480 bis 600 m/sek. mitgerissen und so auf eine Dicke von 0,0l-1 Mikron ausgezogen. Die geblasenen Fasern werden auf einem Sieb gesammelt und sind zur Aus- laugung bereit. Vorzugsweise erfolgt die Auslaugung sogleich nach dem Blasen nach Möglichkeit aber innerhalb von 48 Stunden nach dem Blasen, wenn man die besten Ergebnisse erhalten will.
Eine lange Aufbe wahrung der Natriums.ilikatfasern, insbesondere in feuchter Luft schwächt die Fasern infolge einer Selbstauslaugung, wobei das Alkali an der Faserober fläche verbleibt und diese schädlich beeinflusst.
Zwecks Durchführung der Auslaugung im Labo ratoriumsmassstab werden 57g Natriumsilikatfasern zu einer 5 "/eigen Kalziumchloridlösung, die 80 g Chlorid enthält, gegeben und das Ganze etwa 15 Mi nuten zum Sieden erhitzt. Die Lösung wird dann ab gegossen und die Fasern mit Wasser alkalifrei ge waschen, wobei auch überschüssiges Kalziumchlorid entfernt wird.
Beim Trocknen bei Zimmertemperatur und nach herigem Erwärmen auf 100 C verloren die Fasern 2,35 m/o ihres Gewichtes, bezogen auf das Trocken gewicht, was dem Feuchtigkeitsgehalt der Fasern ent spricht.
Die so erhitzten Fasern hatten folgende Zu sammensetzung:
EMI0002.0057
Bestandteil <SEP> Gew.%
<tb> Si02 <SEP> 74,5
<tb> Ca0 <SEP> <B>5j86</B>
<tb> <B>R203 <SEP> (A1203, <SEP> Fe203) <SEP> 1,7</B>
<tb> gebundenes <SEP> H20 <SEP> Rest Beim Erhitzen auf 537 C betrug der Gewichts- vertust insgesamt 14,74 % und die Analyse ergab ungefähr folgende Werte:
EMI0002.0067
Komponente <SEP> Gew.
<tb> Si02 <SEP> 85,4
<tb> Ca0 <SEP> 6,71
<tb> R203 <SEP> (A1203, <SEP> Fe203) <SEP> 1,95
<tb> gebundenes <SEP> H20 <SEP> Rest Das Molverhältnis von Si0, zu Ca0 berechnet sich hieraus auf etwa 12: 1. Dieses Verhältnis wech selt etwas mit der Reaktionstemperatur und der Kon zentration des Kalziumchlorids, doch ersetzt das Ca0 das Na20 nicht vollständig, da die Faser bei der Aus laugung anstelle des Na20 etwas Wasser bindet.
Dem zufolge wird der CaO-Gehalt stets niedriger sein als der Na20-Gehalt im ursprünglichen Gespinst oder Glas. Dies ist oft von Vorteil, da z. B. ein Molver- hältnis von 12: 1 sonst nicht aus einem Glas mit entsprechend hohem Si02 Gehalt erhalten werden könnte, denn aus einem solchen Glas können keine Fasern mit einem Durchmesser unter 1 Mikron her gestellt werden.
Die Wassermoleküle werden durch Erhitzen auf etwas über 537 C, also weit unter dem Schmelzpunkt des Si02 vollständig aus den Fasern ausgetrieben, wobei die Temperatur in Abhängigkeit vom Verhält nis Si02 : Ca0 wechselt und beim Verhältnis 12. 1 etwa 593-649 C beträgt.
Die erfindungsgemäss erhältlichen Kalziumsilikat- fasern verfilzen sich beim Benetzen. sehr leicht. Zur Bildung eines Blattes oder Filters ist es deshalb nur erforderlich die Fasern in Wasser aufzuschlemmen und die Suspension durch ein Sieb zu giessen, welches die Fasern zurückhält. Nach dem Trocknen erhält man ein als Filter verwendbares verfilztes Produkt, das nur aus feinen Fasern besteht.
Ein solches Filter wurde, wenn man es mit einer Lösung behandelte, die mehrmals durch die üblichen feinfaserigen Filter fil- triert worden war, infolge des zurückgehaltenen Mate rials braun, trotzdem die Prüfung mit den andern Filtern anzeigte, dass alle Substanz entfernt war. Dies beruht offenbar auf dem Ionenaustauschvermögen der im Glasfaserpapier vorhandenen Kalziumkompo- nente.
Das Papier als solches war weich und verhältnis mässig dünn und hatte eine gute, andern Filter papieren gleichwertige Zugfestigkeit.
Die Kalziumsilikatfasern können auch zusammen mit andern feinen Fasern, z. B. solchen aus Silizium dioxyd, zur Herstellung guter Filter verwendet wer den; die Aktivität der Kalziumsilikatfasern bleibt auch in Mischungen erhalten. So filtriert beispielsweise ein Filterpapier aus 1/3 Gewichtsteil Kalziumsilikat fasern und 2/3 Gewichtsteilen gewöhnlichen geblasenen Glasfasern Rauch aus der Luft aus.
Das Glasfaserpapier kann auch zur Herstellung von Feuerschutzanzügen verwendet werden, wobei es oft nicht erforderlich ist, das Wasser durch Erhitzen aus den Fasern zu vertreiben. Die wasserhaltigen Fasern haben beträchtliche Festigkeit, die nicht ver- lorengeht, wenn das Wasser beim Gebrauch als Feuerschutzanzug verdampft.
Der Faserdurchmesser ist von kritischer Bedeu tung, da Fasern, die dicker als etwa 1 Mikron sind, geringe Festigkeit haben und nicht das genügende Mass von Selbstadhäsion aufweisen, um ein ganz aus Glas bestehendes Filterpapier herzustellen. Dagegen lassen sie sich textil verarbeiten. Anderseits lassen sich Fasern mit Durchmessern von 1 Mikron und weniger textil nicht verarbeiten, dagegen aber zu Faservliesen verfilzen. Solche Glasfaserpapiere wer den besonders für Filter verwendet und sind z. B. für Rauch praktisch undurchlässig.
Die Faserlänge ist nicht kritisch und kann je nach dem gewünschten Zweck gewählt werden; so kann man die geblasenen Fasern zu kurzen Stückchen brechen, bevor man .sie, beispielsweise zu Papier, verarbeitet.
Die Fasern können auch in Form einer verfilzten mattenartigen Masse ausgelaugt werden. In diesem Fall kann die Ausl'augung so erfolgen, dass eine Lö sung eines Erdalkalisalzes, wie Kalziumchlorid, durch die zusammengepressten Silikatfasern geschickt wird, um die Auslaugung und den Ersatz des Alkalioxyds durch das Erdalkalioxyd zu bewirken.