CN101263250B - 磷酸盐涂覆的无机纤维及其制备和应用方法 - Google Patents

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Abstract

提供包含氧化钙和氧化铝作为主要纤维组分的无机纤维。此包含氧化钙和氧化铝的无机纤维具有在纤维表面的至少一部分上的含磷化合物涂层。还提供制备涂覆和非涂覆的无机纤维的方法，以及使用含该无机纤维的隔热材料对制品进行隔热的方法。

Description

磷酸盐涂覆的无机纤维及其制备和应用方法
技术领域
提供一种使用温度为1100℃或更高的可用作热、电或声绝缘材料的耐高温无机纤维。此耐高温无机纤维容易制备、在长时间暴露于所述使用温度后显示低收缩率、在暴露于所述使用温度后能保持良好的机械强度、且可溶于生理流体。
发明背景
绝缘材料工业中已经明确，理想地在热和声绝缘应用中使用在生理流体中不耐久的纤维，即显示低生物持久性的纤维组合物。尽管已有人提出了备选的材料，但这些材料的使用温度极限并未高到足以可供许多使用了包括玻璃质纤维和陶瓷纤维在内的耐高温纤维的应用使用。人们还提出了许多属于人造玻璃质纤维类材料的在生理介质中不耐久或可分解的组合物。
耐高温纤维还应在预期暴露温度下和在长期或持续暴露于预期使用温度之后显示极小的线性收缩率，以向被绝缘的制品提供有效的热保护。
除了对用于绝缘的纤维非常重要的由收缩率特性表示的耐温性之外，还要求纤维在暴露于使用或工作温度期间和之后具有允许纤维在应用中保持其结构完整性和绝缘特性的机械强度特征。
纤维的机械完整性的一个特征在于其使用后脆性(after servicefriability)。纤维越脆，也即越容易被压碎或粉碎成粉末，其拥有的机械完整性越小。通常，同时显示耐高温性和在生理流体中的不耐久性的无机纤维也会显示高水平的使用后脆性。这导致纤维在暴露于工作温度之后缺乏能提供完成其绝缘目的所需的结构的强度或机械完整性。
因此，仍然希望制造一种易于由期望配料(ingredient)的可纤维化熔体制造的改善的无机纤维组合物，其在暴露于1100℃或更高的工作温度期间和之后显示低收缩率，在暴露于预期使用温度之后显示低脆性，且在暴露于1100℃或更高的使用温度之后保持机械完整性。
发明内容
提供一种可用作热、电或声绝缘材料的耐高温无机纤维。此无机纤维具有1100℃和更高的使用温度。此耐高温无机纤维易于由纤维配料的熔体制造、显示低线性收缩率、在暴露于使用温度后能保持良好的机械强度和完整性、且可溶于生理流体。
此无机纤维包含作为主要纤维组分的氧化钙和氧化铝，并具有沉积在其上的含磷化合物。至少约90wt％的所述纤维包含含氧化钙和氧化铝的纤维化产物，其中所述纤维包含少于约10wt％的杂质，且其中至少一部分纤维表面涂有含磷化合物。
根据某些实施方案，至少约90wt％的纤维包含约20到约50wt％的氧化钙和约50到约80wt％的氧化铝的纤维化产物。
还提供制备使用温度为1100℃或更高且具有含磷化合物涂层的低收缩率、耐高温、不耐久玻璃质无机纤维的方法。此方法包括形成配料包含氧化钙和氧化铝的熔体，其中至少90wt％的所述配料包含(合计)氧化钙和氧化铝，由所述熔体制造纤维，向所述纤维的至少一部分表面施加含磷化合物。
另外还提供隔热制品，此隔热制品包含含纤维化产物的无机纤维，其中至少90wt％的纤维化产物包含氧化钙和氧化铝，其中所述纤维包含约10wt％或更少的杂质，且其中至少一部分纤维表面涂有含磷化合物。
根据某些实施方案，至少90wt％的纤维化产物包含约20到约50wt％的氧化钙和约50到约80wt％的氧化铝。
还提供一种对制品用隔热材料进行隔热的方法，此方法包括在制品之上、之内、附近或周围设置含工作温度为1100℃或更高的低收缩率、耐高温、不耐久玻璃质无机纤维的隔热材料，所述隔热材料的所述无机纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含氧化钙和氧化铝，和约10wt％或更少的杂质，且其中至少一部分纤维表面涂有含磷化合物。
进一步提供降低无机纤维在液体中的水化的方法，此方法包括向所述液体中添加有效量的水化阻滞剂。
还提供一种制备耐1100℃或更高温度的低收缩率隔热板的方法，此方法包括形成具有无机纤维、水化阻滞剂和液体的浆料；从所述浆料中除去所述液体以形成板；和干燥所述隔热板。
附图简述
图1是磷酸盐涂覆的含有约65wt％氧化铝和约33wt％氧化钙的纤维化产物的铝酸钙纤维的扫描电子显微照片。
图2是磷酸盐涂覆的含有约55.8wt％氧化铝和约42.1wt％氧化钙的纤维化产物的铝酸钙纤维的扫描电子显微照片。
图3是磷酸盐涂覆的含有约43.5wt％氧化铝和约53wt％氧化钙的纤维化产物的铝酸钙纤维的扫描电子显微照片。
详细说明
提供一种可用作热、电和声绝缘材料的无机纤维。此无机纤维具有1100℃或更高的连续工作或使用温度。根据某些实施方案，此玻璃质无机纤维具有1260℃或更高的连续工作或使用温度。
此无机纤维在生理流体中不耐久。在生理流体中“不耐久”是指在体外试验中所述无机纤维至少部分地溶于所述流体如模拟肺流体。所述无机玻璃质纤维还在暴露于1260℃的使用温度24小时后显示如根据下述方法测定的小于约5％的线性收缩率。
所述低收缩率、耐高温无机纤维包含含氧化钙和氧化铝作为主要组分的熔体的纤维化产物。包含氧化钙和氧化铝的纤维化产物的无机纤维被称为“铝酸钙”纤维。所述铝酸钙纤维包括位于其外表面的至少一部分上的含磷化合物涂层。
熔体的原材料可以由能提供要求的化学性质和纯度的任何适当来源获得。氧化钙的适当来源包括但不限于具有要求的CaO/Al2O3比的铝酸钙水泥、石灰、石灰石和生石灰。氧化铝的适当来源是但不限于那些具有所需纯度并能根据需要与富CaO材料混合以实现期望的化学性质的氧化铝源。
除氧化钙和氧化铝之外，所述铝酸钙纤维还可包含直至约10wt％的杂质。这些杂质可以包括铁氧化物。如果铁氧化物杂质存在于来自起始原材料的纤维化熔体中，则它们的量以Fe2O3计通常不到约1wt％。
根据某些实施方案，所述杂质可以包含基于纤维总重的直到10wt％的氧化硅。然而，在某些实施方案中所述铝酸钙纤维可以包含不到约5wt％的氧化硅，乃至低至约2wt％或更少的氧化硅。
提供了一种制备使用温度为至少1100℃或更高的低收缩率、耐高温、不耐久铝酸钙纤维的方法。该形成铝酸钙纤维的方法包括形成包含氧化钙和氧化铝的配料的材料熔体，和由所述配料的熔体形成纤维。所述铝酸钙纤维可以通过标准的熔体纺丝或纤维吹制技术由所述配料的熔体制造。
所述配料的材料熔体的粘度可以任选地通过粘度调节剂控制，粘度调节剂的存在量足以提供要求的应用所需的纤维化。粘度调节剂可以存在于提供熔体主要组分的原材料中，或者也可，至少部分地，单独添加。原材料的期望粒径由炉况包括炉子尺寸、倾泄速率、熔融温度、停留时间等等决定。
如上所述，铝酸钙纤维可以通过纤维吹制或纤维纺丝技术制备。一种适合的纤维吹制技术的步骤包括：将包含氧化钙和氧化铝的起始原材料混合在一起形成配料的材料混合物，将该配料的材料混合物输入适合的器皿或容器中，熔融该配料的材料混合物以通过适合的喷嘴排出，并将高压气体吹在配料的熔融材料混合物的排出流上以形成铝酸钙纤维。
一种适合的纤维纺丝技术的步骤包括将包含氧化钙和氧化铝的起始原材料混合在一起形成配料的材料混合物，将该配料的材料混合物输入适合的器皿或容器中，熔融该配料的材料混合物以通过适合的喷嘴排放到纺丝轮上。熔体流随后泻落在轮上，涂覆在轮上并被通过向心力甩出，从而形成纤维。
该低收缩率、耐高温、不耐久铝酸钙纤维包括位于纤维外表面上的磷化合物涂层。尽管并不一定各个纤维的整个外表面区域都涂有含磷化合物，但是应在表面积的足够部分上涂覆含磷化合物涂层以提供具有至少1260℃的持续使用或工作温度的铝酸钙纤维。
用于形成铝酸钙纤维至少一部分表面的涂层的含磷化合物的前体可以包括各种形式的磷酸，如偏磷酸、正磷酸、多磷酸、过磷酸、包含-PO4基的磷酸的任何水溶性盐及其混合物。
金属磷酸盐适于形成铝酸钙纤维表面的涂层，以提高纤维的耐热性。根据某些实施方案，可用于涂覆铝酸钙纤维表面的金属磷酸盐包括碱金属磷酸盐和碱土金属磷酸盐。适合的碱金属磷酸盐可以包括但不限于磷酸锂、磷酸钠和磷酸钾。适合的碱土金属磷酸盐包括但不限于磷酸镁和磷酸钙。也可使用磷酸铵来涂覆铝酸钙纤维表面。
无机纤维的线性收缩率是度量纤维的耐高温性或其在特定的连续工作或使用温度下的性能的良好尺度。在外纤维表面的至少一部分上具有含磷化合物涂层的铝酸钙纤维在暴露于1260℃的工作温度24小时之后显示5％或更小的线性收缩率。由此，涂覆的铝酸钙纤维可用于在至少1260℃或更高连续工作或操作温度下的隔热应用。此外，据发现该铝酸钙纤维直到暴露于1320℃或更高的温度才熔融。
含磷化合物前体被施加到纤维表面的至少一部分上。含磷涂层前体可以在纤维化过程中或在已经进行纤维化过程之后施加到铝酸钙纤维表面的至少一部分上。
根据某些实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，约20到约50wt％的氧化钙和约50-约80wt％的氧化铝；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。当然并非该材料熔体的每种配料都必须具有此氧化钙∶氧化铝比例，或本文所述的任何其它氧化钙∶氧化铝比例。而是，包含在配料的材料熔体中的氧化钙和氧化铝的总量构成此比例或本文所述的任何其它氧化钙∶铝比例。因此，在此实施方案和以下实施方案中，每种配料不必具有所公开的范围内的氧化钙和氧化铝，但这些配料的总和应当包含该公开的范围。
根据其它实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，约35到约50wt％的氧化钙和约50-约65wt％的氧化铝；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
根据其它实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，约37到约50wt％的氧化钙和约50-约63wt％的氧化铝；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
根据某些实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，大于50wt％的氧化钙和从大于0到小于50wt％的氧化铝；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
根据其它实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，包含，合计，大于50到约60wt％的氧化钙和从约40到小于50wt％的氧化铝；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
根据其它实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，约大于50到约80wt％的氧化钙和约20到小于50wt％的氧化铝；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
根据其它实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，含约60到约80wt％的氧化钙和约20到约40wt％的氧化铝的熔体的纤维化产物；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
根据其它实施方案，形成铝酸钙纤维的方法包括：形成配料的材料熔体，其中至少90wt％的所述配料包含，合计，大于50到约70wt％的氧化钙和约30到小于50wt％的氧化铝的纤维化产物；由所述配料的熔体形成纤维；向纤维的至少一部分上施加含磷化合物前体。
含有磷化合物的涂层可以在纤维化过程中或在铝酸钙纤维已经纤维化之后施加到纤维的外表面上。在纤维化方法期间向纤维表面施加磷化合物涂层是有益的。根据此技术，在纤维化时含磷化合物的涂层被以适当的具有用于将涂料组合物排放到纤维上的喷嘴的喷雾装置喷涂到纤维表面上。也就是说，含有磷化合物的涂料组合物在纤维从配料的熔融混合物中排出时被施加在纤维上。
含有磷化合物前体的涂层也可以在纤维化方法完成之后通过包括但不限于用含有磷化合物的涂料组合物浸渍、浸没、浸润、浸透或喷溅纤维的多种方法施加到纤维表面。
还提供一种使用含涂覆的铝酸钙纤维的隔热材料对制品进行隔热的方法。该对制品进行隔热的方法包括在所要隔热的制品之上、之内、附近或周围设置包含磷酸盐涂覆的铝酸钙纤维的隔热材料。该隔热制品包含含纤维化产物的无机纤维，其中至少90wt％的纤维化产物包含氧化钙和氧化铝，和约10wt％或更少的杂质，且其中至少一部分纤维表面涂有含磷化合物。
根据某些实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含约20到约50wt％的氧化钙和约50到约80wt％的氧化铝。
根据其它实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含约35到约50wt％的氧化钙和约50到约65wt％的氧化铝。
根据更进一步的实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含约37到约50wt％的氧化钙和约50到约63wt％的氧化铝。
根据某些实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含大于50wt％的氧化钙和大于0到小于50wt％的氧化铝。
根据其它实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含大于50到约60wt％的氧化钙和约40到小于50wt％的氧化铝。
根据其它实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含大于50到约80wt％的氧化钙和约20到小于50wt％的氧化铝。
根据其它实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含约60到约80wt％的氧化钙和约20到约40wt％的氧化铝，且其中至少一部分所述纤维表面涂有含磷化合物。
根据其它实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少90wt％的纤维化产物包含大于50到约70wt％的氧化钙和约30到小于50wt％的氧化铝。
根据某些实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少95wt％的纤维化产物包含约20到约50wt％的氧化钙和约50到约80wt％的氧化铝。
根据其它实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少95wt％的纤维化产物包含约35到约50wt％的氧化钙和约50到约65wt％的氧化铝。
根据更进一步的实施方案，包含在该隔热材料中的所述涂覆的铝酸钙纤维包含纤维化产物，其中至少95wt％的纤维化产物包含约37到约50wt％的氧化钙和约50到约63wt％的氧化铝。
并不束缚于任何特定理论，磷酸盐涂覆的铝酸钙纤维的提高的耐热性可能是磷酸盐涂层对铝酸钙纤维的脱玻化温度的作用结果。即，磷酸盐涂层看来似乎降低了铝酸钙纤维发生脱玻化的温度。未涂覆的铝酸钙纤维在约910℃发生脱玻化。在约875℃-910℃之间，未涂覆的铝酸钙纤维经受粘滞蠕变(Viscous creep)，导致过度的纤维收缩率。涂有含磷涂层的铝酸钙纤维在低于910℃，或许低至810℃，的温度下发生脱玻化。因此，涂覆的铝酸钙纤维在这些较低温度下的脱玻化基本上防止了通过粘滞蠕变的纤维收缩。
实施例
以下实施例的提出是用于更详细地描述铝酸钙纤维的说明性实施方案，和说明制备所述无机纤维、制备含所述纤维的隔热制品和使用所述纤维作为隔热材料的方法。但是，实施例不应被当作对所述纤维、含纤维的制品、或制造所述纤维或以任何方式使用其作为隔热材料的方法的限制。
实施例1
通过纤维吹制法由包含约40wt％氧化钙和约60wt％氧化铝的配料的熔体制造铝酸钙纤维。通过喷涂法向所述纤维上施加单磷酸钠涂层。
通过混合所述吹制纤维、酚醛粘合剂和水制备收缩垫。将纤维、粘合剂和水的所述混合物倒入板模具中，并使水从模具底部的开孔中排出。从所述垫上剪下3英寸x5英寸的试片，用于收缩率测试。仔细测量测试垫的长度和宽度。然后将测试垫放入炉子中并加热到1260℃的温度，保持24小时。在加热24小时之后，将测试垫从所述测试炉中拿出并冷却。冷却之后，再次测量测试垫的长度和宽度。通过比较“前”、“后”尺寸测量结果，确定测试垫的线性收缩率。所述含有由包含约40wt％氧化钙和约60wt％氧化铝的配料的熔体制成并涂有单磷酸钠的纤维的测试垫，在暴露于1260℃的温度24小时之后显示小于5％的线性收缩率。
实施例2
通过纤维吹制法由包含约37wt％氧化钙和约63wt％氧化铝的配料的熔体制造铝酸钙纤维。通过喷涂法向所述纤维上施加单磷酸钠涂层。将该磷酸盐涂覆的纤维制成测试垫，并按照实施例1中所述的方法测定此测试垫的收缩率特性。所述含有由包含约37wt％氧化钙和约63wt％氧化铝的配料的熔体制成并涂有单磷酸钠的纤维的测试垫，在暴露于1260℃的温度24小时之后显示小于5％的线性收缩率。
下表I包括一些按照本方法制造的铝酸钙纤维。
表I
  实施例   CaO   Al2O3   SiO2   Fe2O3   P2O5 *   A/C比例
  3   42.1   55.8   1.6   0.35   0.05   1.33
  4   32.7   65   1.8   0.36   0.05   1.02
  5   32.1   64.6   1.6   0.35   1.18   2.01
  6   47.8   48.4   2.17   0.37   0.9   1.01
  7   35.9   61.9   1.6   0.34   0.06   1.72
  8   35.8   61.2   1.6   0.35   0.86   1.71
  9   46.4   51   1.9   0.35   0.03   1.10
  10   46.6   50.3   1.9   0.36   0.55   1.08
  11   53.18   44.02   1.91   0.02   0.26   1.21
  12   47.8   46   4.56   0.36   0.05   1.04
  13   47   48.94   2.84   0.02   0.13   0.96
  14   46.08   49.29   2.71   0.03   0.56   0.93
  15   42.86   53.43   2.67   0.02   0.04   0.8
  16   42.74   52.47   2.81   0.02   0.18   0.81
  17   40.6   56.18   2.61   0.02   0.06   0.72
  18   40.19   55.72   2.76   0.02   0.21   0.72
*表I中的P2O5代表铝酸钙纤维上的含磷化合物涂层或来自原材料的附带痕量杂质。
分析上面表I中给出的铝酸钙纤维在暴露于1260℃的温度24小时之后的线性收缩率。纤维分析的结果在下表II中给出。
表II
  实施例   磷酸盐涂层   在1260℃的收缩率
  3   无   38.5
  4   无   1.02
  5   有   0.55
  6   有   0.7
  7   无   2.9
  8   有   1.4
  9   无   40.6
  10   有   1.1
  11   有   3.69
  12   无   33.2
  13   无   40.88
  14   有   1.43
  15   无   9.62
  16   有   0.89
  17   无   1.56
  18   有   0.87
评价铝酸钙纤维在生理肺流体中的耐久性。耐久试验测量在模拟人肺的温度和化学条件的情况下纤维的质量损失速率(ng/cm2-hr)。此测试包括将大约0.1g的de-shotted纤维暴露于0.3ml/min的模拟肺流体中(SLF)。整个测试系统被保持在37℃，以模拟人体的温度。测试优选地持续约2-4周。
在SLF流过纤维之后，将其收集起来并采用感应耦合等离子体光谱分析玻璃组成。此外还测量“空白”SLF试样，用于对存在于SLF中的元素进行修正。获得此数据之后，就能计算在研究的时间间隔内纤维损失质量的速率。
模拟肺流体以供本发明的纤维组合物的耐久性测试之用的组成是：
成分     含量/组成
NH4Cl    10.72g/50mL
NaCl                  135.6g
NaHCO3                45.36g
NaH2PO4·H2O溶液      3.31g/50mL
Na3C6H5O7·H2O溶液    1.18g/50mL
甘氨酸                9.08g
H2SO4(1N溶液)         20.0mL
CaCl2(2.75wt.％溶液)  15.8mL
甲醛                  20.0mL
向大约18升去离子水中按上表所示的数量顺序添加以上试剂。用去离子水将该混合物稀释到20升并用磁力搅拌棒或其它适合的工具继续搅拌内容物至少15分钟。耐久试验的结果在下表III中给出。
表III
  实施例   热处理(℃)   溶解@pH7.4ng/cm2-hr   溶解@pH4.5ng/cm2-hr   溶解@pH7.4ng/cm2-hrw/o磷酸盐或柠檬酸盐
  3   无   23   32   18
  6   无   12   50   17
  11   无   9   83   20
  12   无   13   38   14
  15   无   21   21   15
  16   无   14   90   22
  3   850   19   59   23
  6   850   29   ---   15
  11   850   17   55   20
  12   850   9   280   9
  15   850   54   202   66
  16   850   92   178   23
  3   1260   ---   139   26
  6   1260   40   260   40
  11   1260   61   48   18
  12   1260   ---   180   31
评价铝酸钙纤维的抗助熔作用(flux resistance)。术语“助熔”是指一种相对较少量的组分(助熔剂)急剧降低另一种材料的熔点的反应。助熔过程会严重损害隔热材料的完整性。在耐高温隔热应用领域，例如窑隔热应用中，在用于烧窑的燃料中可以存在助熔剂。在耐高温窑隔热应用中遇到的两种常用助熔剂为Na2O和K2O，它们对耐火陶瓷纤维的损害极大。如果存在的Na2O和K2O的浓度足够大并接触到耐火陶瓷纤维，将导致耐火陶瓷纤维熔融，从而损害该隔热材料的完整性。
助熔剂测试用来测试一种杂质(该助熔剂)在升高的温度下对纤维的侵害性。简单地说，将1克粉状助熔剂样品堆放在纤维毡表面1平方英寸的区域上。然后将该组合加热到1260℃(或期望的试验温度)并保持24小时。加热之后，通过肉眼观察确定助熔剂对毡的侵蚀。助熔剂侵蚀导致与该助熔剂接触的纤维熔融。侵蚀的程度可由被熔融的纤维的数量来评定。助熔剂测试的结果在表IV中给出：
表IV
  实施例   CaO   Al2O3   SiO2   Zr2O   抗助熔剂 侵蚀性
  C19   ---   30％   54％   16％   无
  C20   ---   47％   36％   17％   无
  C21   ---   45％   55％   ---   无
  22   40％   60％   ---   ---   有
  23   58％   42％   ---   ---   有
  24   46.5％   53.5％   ---   ---   有
  25   48.5％   51.5％   ---   ---   有
对比例C19和C20代表可商购的氧化铝-氧化锆-氧化硅纤维毡，对比例C21代表可商购的铝硅酸盐陶瓷纤维毡。结果表明可商购的氧化铝-氧化锆-氧化硅和铝硅酸盐毡均被Na2O助熔剂侵蚀。对于对比例的纤维耐火陶瓷纤维材料毡的情形，曾与助熔剂接触的1平方英寸毡已经熔融。与对比例的耐火陶瓷纤维材料完全相反，对于由铝酸钙纤维制造的隔热毡没有观察到助熔剂侵蚀。
根据某些说明性实施方案，提供了一种在生产隔热材料时控制铝酸钙纤维的水化作用的方法。纤维的水化作用是通过向纤维表面施加水化作用控制剂来控制的。该降低纤维在液体中的水化作用的方法可以包括向所述液体中添加有效量的水化阻滞剂。
根据某些实施方案，该方法包括降低包含由从约20wt％或更多氧化钙与大于0到约80wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维的水化作用。
根据其它实施方案，该方法包括降低包含含约20到约60wt％氧化钙与约40到约80wt％氧化铝的熔体的纤维化产物的铝酸钙纤维的水化作用。
根据其它的实施方案，该降低铝酸钙纤维在液体中的水化作用的方法包括向所述含有铝酸钙纤维的液体中添加有效量的水化阻滞剂，其中所述铝酸钙纤维包含约20到约50wt％氧化钙和约50到约80wt％氧化铝的纤维化产物。
根据另外的实施方案，该方法包括降低包含约35到约50wt％氧化钙与约50到约65wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维的水化作用。
根据进一步的实施方案，该方法包括降低包含约37到约50wt％氧化钙与约50到约63wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维的水化作用。
根据其它实施方案，该方法包括降低包含含约50wt％的氧化钙与约50wt％的氧化铝的熔体的纤维化产物的铝酸钙纤维的水化作用。
以下实施例仅用于进一步解释水化阻滞剂对铝酸钙纤维的作用。这些说明性实施例不应被看作是对所述降低铝酸钙纤维的水化作用的方法、制备隔热板的方法或根据该方法制造的隔热板的限制。
实施例26-对照
测试含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维在去离子水中的稳定性。向250ml去离子水中添加10克铝酸钙纤维。使所述含铝酸钙纤维的水溶液静置1小时。去离子水使铝酸钙纤维严重降解，在水溶液中只留下少量的非纤维残余物。
实施例27
测试含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维在氯化锌溶液中的稳定性。向250ml的10％ZnCl2溶液中添加10克铝酸钙纤维。使所述含铝酸钙纤维的ZnCl2溶液静置1小时。该ZnCl2溶液仍包含初始的10克铝酸钙纤维。由此，ZnCl2的10％溶液并未分解纤维的结构。
实施例28
测试含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维在柠檬酸钠溶液中的稳定性。向250ml的10％柠檬酸钠溶液中添加10克铝酸钙纤维。使所述含铝酸钙纤维的柠檬酸钠溶液静置1小时。柠檬酸钠溶液使铝酸钙纤维严重降解，在该溶液中只留下少量的非纤维残余物。
实施例29
测试含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维在磷酸溶液中的稳定性。向250ml的10％磷酸溶液中添加10克铝酸钙纤维。使所述含铝酸钙纤维的磷酸溶液静置1小时。磷酸溶液使铝酸钙纤维严重降解，在该溶液中只留下少量的非纤维残余物。
实施例30
测试含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维在单磷酸钠溶液中的稳定性。向250ml的10％单磷酸钠溶液中添加10克铝酸钙纤维。使所述含铝酸钙纤维的单磷酸钠溶液静置1小时。该单磷酸钠溶液仍包含初始的10克铝酸钙纤维。因此，10％单磷酸钠溶液并未分解纤维的结构。
实施例31
测试含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维在羧甲基纤维素钠溶液中的稳定性。向250ml的0.4％羧甲基纤维素钠溶液中添加10克铝酸钙纤维。使所述含铝酸钙纤维的羧甲基纤维素钠溶液静置1小时。尽管溶液中仍包含铝酸钙纤维，但该溶液已经胶凝成软的固体物质。
实施例32
向250ml的5％单磷酸钠溶液中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在单磷酸钠溶液中浸渍1小时。
通过沉降体积测试研究所述铝酸钙纤维的长度。在浸渍1小时之后，将该纤维溶液引入量筒中。向量筒中加水至500ml。搅拌溶液之后将其静置10分钟。然后记录纤维柱的最高点。这就是沉降体积测试，它是纤维长度的标志。
实施例33
向250ml的1％单磷酸钠溶液中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在单磷酸钠溶液中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例34
向250ml的0.5％单磷酸钠溶液中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在单磷酸钠溶液中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例35-对照
向250ml去离子水中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在所述去离子水中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例32-35的结果在下表V中给出：
表V
  实施例   单磷酸钠溶液(％)   沉降体积
  32   5％   470ml
  33   1％   370ml
  34   0.5％   400ml
  C35   H2O   10ml
结果表明，铝酸钙纤维的长度在各种单磷酸钠溶液中都得以很好地保持。
实施例36
向250ml的5％磷酸铵中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在磷酸铵溶液中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例37
向250ml的1％磷酸铵中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在磷酸铵溶液中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例38
向250ml的0.5％磷酸铵中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在磷酸铵溶液中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例39-对照
向250ml去离子水中添加10克含有43.5wt％氧化钙与54.8wt％氧化铝的纤维化产物的铝酸钙纤维。使该铝酸钙纤维在所述去离子水中浸渍1小时。在浸渍1小时之后，通过实施例32中所述的沉降体积测试分析该纤维溶液。
实施例36-39的结果在下表VI中给出：
表VI
  实施例   磷酸铵溶液(％)   沉降体积
  36   5％   500ml
  37   1％   500ml
  38   0.5％   500ml
  C39   H2O   10ml
结果表明，铝酸钙纤维的长度在各种磷酸铵溶液中都得以很好地保持。
确定了磷酸铵对铝酸钙纤维具有保护作用之后，用1％磷酸铵溶液制造真空浇注隔热板产物。
实施例40
由含有以下材料的浆料形成真空成型的隔热板：
4加仑水
40g磷酸铵
600g铝酸钙纤维
260g胶体氧化铝(Wesol D-30)
溶解在1升水中的40g淀粉(Empersol)
实施例41-对比
由含有以下材料的浆料形成真空成型的隔热板：
4加仑水
600g铝酸钙纤维
260g胶体氧化铝(Wesol D-30)
溶解在1升水中的40g淀粉(Empersol)
实施例42-对比
由含有以下材料的浆料形成真空成型的隔热板：
4加仑水
600g吹制耐火陶瓷纤维
260g胶体氧化铝(Wesol D-30)
溶解在1升水中的40g淀粉(Empersol)
在真空成型之后，将根据实施例40-42制备的板在100℃下干燥一夜。对板进行切割并测定下表中所示的机械性能：
表VII
A型硬度计
  实施例   表面   内部
  40   15-25   8-10
  41   0   0
  42   30-45   15-20
表VIII
00型硬度计
  实施例   表面   内部
  40   80-82   70-80
  41   40-65   40-50
  42   85-90   75-80
表IX
断裂模量
  实施例   断裂模量(PSI)
  40   52.7-53.4
  41   3.7-4.3
  42   60.0-62.6
测试根据实施例40-42制备的板在暴露于1000℃和1260℃的温度24小时之后的机械性能和收缩率。测试结果在下表中给出：
表X
A型硬度计
暴露于1000℃24小时
  实施例   硬度
  40   5-10
  41   0
  42   10-20
表XI
00型硬度计
暴露于1000℃24小时
  实施例   硬度
  40   70-80
  41   35-60
  42   70-80
表XII
暴露于1000℃24小时后的收缩率
  实施例   收缩率(％)
  40   1.6
  41   3.3
  42   0.3
表XIII
断裂模量
暴露于1000℃24小时
  实施例   断裂模量(PSI)
  40   53.7
  41   0
  42   33
表XIV
A型硬度计
暴露于1260℃24小时
  实施例   硬度
  40   5-15
  41   0
  42   5-10
表XV
00型硬度计
暴露于1260℃24小时
  实施例   硬度
  40   70-90
  41   60-70
  42   70-80
表XVI
暴露于1260℃24小时后的收缩率
  实施例   收缩率(％)
  40   4.4
  41   7.6
  42   2
表XVII
断裂模量
暴露于1260℃24小时
  实施例   断裂模量(PSI)
  40   58.4
  41   0
  42   37.9
如上列表所示，含铝酸钙纤维的隔热板具有良好的收缩率和强度特性。因此，含铝酸钙的隔热板可用于隔热应用中作为标准矿棉或铝硅酸盐耐火陶瓷纤维的替代物。含铝酸钙纤维的隔热材料可用于那些要求耐1100℃或更高温度的隔热应用。而且，含铝酸钙纤维的隔热材料还可用于那些要求耐高达约1200℃高温的隔热应用。并非限制，含铝酸钙纤维的隔热材料可用于对加热器皿如炉子进行隔热，用于化学加工、石油加工、陶瓷加工、玻璃加工、金属制造和加工业，或用于汽车、航天、仪表和消防业中。
所述铝酸钙纤维可以以散纤维(bulk fiber)的形式提供。此外，铝酸钙纤维还可结合在各式各样的声、电或隔热制品或产物中。并非限制，例如铝酸钙纤维可加工成含耐高温纤维的毡，包括针织和缝合毡，板、编织物、布、扩散纸、非扩散纸、织物、毛毡、铸型、模件、粘结模件、垫、包装、绳、带、套筒、真空铸型、织造纺织品、易加工的组合物，包括耐高温防火泥、水泥、涂层、砂浆、可泵送的组合物、油灰和可模制的组合物。
所述无机纤维组合物、制造该无机纤维组合物的方法、含各种无机纤维的制品和对制品进行隔热的方法并不仅限于上述实施方案，而是包括各种变体、变型和等效实施方案。分别公开的实施方案也并不一定是两者挑一的，因为本发明的各个实施方案可以结合在一起来提供期望的特征。因此，所述无机纤维、含纤维的制品以及制造该纤维和使用该纤维作为隔热材料的方法不应被限于任何单个实施方案，而应按根据权利要求书所述的外延和范围进行解释。

Claims (14)

1.使用温度为1100℃或更高的低收缩率、耐高温玻璃质无机纤维，其中至少90wt％的所述纤维包含含氧化钙和氧化铝的纤维化产物，和10wt％或更少的杂质，且其中至少一部分纤维表面涂有含磷化合物。
2.根据权利要求1的无机纤维，其中至少90wt％的所述纤维包含20wt％到50wt％的氧化钙和50wt％到80wt％的氧化铝的纤维化产物。
3.根据权利要求1的无机纤维，其中至少90wt％的所述纤维包含如下之一的纤维化产物：
(i)35wt％到50wt％的氧化钙和50wt％到65wt％的氧化铝；或
(ii)37wt％到50wt％的氧化钙和50wt％到63wt％的氧化铝；或
(iii)从大于50wt％到60wt％的氧化钙和从40wt％到小于50wt％的氧化铝。
4.根据权利要求1的无机纤维，其中至少90wt％的所述纤维包含从大于50wt％到80wt％的氧化钙和从20wt％到小于50wt％的氧化铝的纤维化产物。
5.根据权利要求1的无机纤维，其中至少90wt％的所述纤维包含如下之一的纤维化产物：
(i)60wt％到80wt％的氧化钙和20wt％到40wt％的氧化铝；或
(ii)从大于50wt％到70wt％的氧化钙和从30wt％到小于50wt％的氧化铝。
6.根据权利要求1的无机纤维，其中所述含磷涂层由包括磷酸、磷酸盐或其混合物的前体含磷化合物获得，其中所述磷酸包括偏磷酸、正磷酸、多磷酸、过磷酸或其混合物中的至少一种；其中所述磷酸盐包括碱金属磷酸盐、碱土金属磷酸盐、磷酸铵或其混合物中的至少一种；其中所述碱金属磷酸盐包括磷酸锂、磷酸钠、磷酸钾或其混合物中的至少一种；和其中所述碱土金属磷酸盐包括磷酸镁、磷酸钙或其混合物中的至少一种。
7.含无机纤维的制品，包括散纤维、毯、纸、毛毡、或铸型中的至少一种，其中所述含纤维的制品包含权利要求1-6中任意一项所述的纤维化产物。
8.制造权利要求1-6中任意一项的无机纤维的方法，包括：
用包含氧化钙和氧化铝的配料形成熔体；
由熔体制造纤维；和
在纤维化过程中或之后向所述纤维的至少一部分表面施加含磷化合物前体。
9.根据权利要求8的方法，其中所述施加所述含磷化合物为在纤维化之后进行喷涂、浸渍、浸没、浸润、浸透或喷溅中的至少一种。
10.根据权利要求8的方法，其中所述施加所述含磷化合物包括在纤维化过程中进行喷涂。
11.对制品进行隔热的方法，包括在制品之上、之内、附近或周围设置包含含权利要求1-6中任意一项的纤维化产物的纤维的隔热材料。
12.制备耐1100℃或更高温度的含有含权利要求1-6中任意一项的纤维化产物的无机纤维的低收缩率隔热板的方法，包括：
用无机纤维、水化阻滞剂和液体形成浆料；
从所述浆料中除去所述液体以形成板；和
干燥所述板。
13.根据权利要求12的方法，其中所述水化阻滞剂包括金属盐、有机酸、有机酸盐、含磷化合物或其混合物；其中所述含磷化合物前体包括磷酸、磷酸盐或其混合物中的至少一种；其中所述磷酸包括偏磷酸、正磷酸、多磷酸、过磷酸或其混合物中的至少一种；其中所述磷酸盐包括碱金属磷酸盐、碱土金属磷酸盐、磷酸铵或其混合物中的至少一种；其中所述碱金属磷酸盐包括磷酸锂、磷酸钠、磷酸钾或其混合物中的至少一种；其中所述磷酸钠是单磷酸钠；其中所述碱土金属磷酸盐包括磷酸镁、磷酸钙或其混合物中的至少一种；其中所述金属盐为氯化锌；和其中所述有机酸为柠檬酸。
14.含无机纤维的制品，包括针织毯或真空铸型的至少一种，其中所述含纤维的制品包含权利要求1-6中任意一项所述的纤维化产物。
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