CN111448173A - 无结晶二氧化硅的低生物持久性无机纤维 - Google Patents

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Abstract

一种无机纤维，其含有二氧化硅、氧化铝、一种或多种碱金属氧化物和一种或多种碱土金属氧化物、过渡金属氧化物或镧系金属氧化物。无机纤维在1260℃以上的使用温度下表现出良好的热性能，在暴露于使用温度后保持机械完整性，在失透后不含结晶二氧化硅，耐碱性熔剂，在酸性介质中表现出低的生物持久性，而在中性介质中表现出低的溶解度。还提供了掺入有无机纤维的隔热产品、制备无机纤维的方法和使用从无机纤维制备的隔热体来使制品隔热的方法。

Description

无结晶二氧化硅的低生物持久性无机纤维
技术领域
可用作隔热、电绝缘或隔音材料的耐高温无机纤维，用多根耐高温无机纤维制备的绝缘材料，制作耐高温无机纤维的方法，以及在使制品隔音、电绝缘和隔热的方法中使用耐高温无机纤维和绝缘材料的方法。
背景
耐火陶瓷纤维，例如以硅酸铝化学为基础的纤维，自20世纪40年代其被开发以来，已被广泛销售用于隔热和电绝缘应用。20世纪80年代进行的啮齿动物吸入研究表明了与生理肺液中生物持久性的耐火陶瓷纤维相关的致癌潜力水平。这些研究促使该行业开发生理肺液可溶性和低生物持久性无机纤维，作为耐火陶瓷纤维的替代品。
吸入某些类型的无机纤维可引起呼吸道疾病的增加。例如，吸入石棉纤维所引起的呼吸道疾病已得到充分的研究和记录。石棉纤维对人类致癌，因而被归类为IARC-1材料。已知吸入石棉纤维可引起人的间皮瘤和其它呼吸道疾病，例如石棉沉滞症和肺癌。
与吸入纤维有关的潜在健康危害一般受三个因素的影响。根据WHO2000，可吸入纤维被定义为长度大于5 µm，直径小于3 µm，且长径比(定义为纤维长度除以纤维宽度)大于3的纤维。长度短于20 µm的纤维可被人肺泡巨噬细胞吞噬，然后从肺区清除，而较长的纤维则留在肺中，直到溶解或破碎成较短的碎片。
自20世纪90年代以来，已经开发出一种策略，使用生理肺液中较不耐用的纤维，以减少与吸入无机纤维相关的潜在健康风险。这些纤维目前在本领域称为低生物持久性纤维(low bio-persistence fibers)。该策略是设计纤维组成，以在生理肺液中表现出较高的溶解速率。较高的纤维溶解速率导致人肺中纤维的清除更快，或停留时间更短，也有助于将较长的纤维分解成短纤维。
与从肺中清除无机纤维有关，人肺中有两种必须考虑的pH环境。肺中的细胞外液呈近中性pH，即在pH 7.4-7.8范围内。人肺的肺泡巨噬细胞内的环境是酸性的，具有在pH4.5-5范围内的pH。已认为在体外测试中在中性或近中性pH的模拟生理肺液(SLF)中表现出低溶解速率的纤维可以在体内动物测试中被快速清除(Bellman and Muhle 等人, 人造矿物纤维和石棉在大鼠肺中的持久性(Persistence of man-made mineral fibers and asbestos in rat lungs), Ann. Occup. Hyg. 31: 693-709 (1987))。虽然纤维可能不溶于中性的细胞外肺液，但在酸性环境中更易溶解的纤维可能会被肺泡巨噬细胞内的酸性攻击碎裂成较短的长度，被吞噬并从肺中清除。
虽然已提出寻求避免形成结晶二氧化硅的候选纤维，但这些纤维的使用温度极限还不足以高到适应传统上使用耐高温耐火陶瓷纤维的许多应用。例如，与典型耐火陶瓷纤维的性能相比，此类候选的低生物持久性纤维在连续使用温度下可表现出较高的线性收缩和/或在暴露于1260℃以上的连续使用温度时的降低的机械性能。如此的低生物持久性纤维也更难以跨宽粘度范围制造。
概述
提供一种无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv)约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
另外提供了一种制备无机纤维的方法，该方法包括形成熔融熔体，其成分包含：(i) 约15-约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合；和从熔融熔体生产纤维。
还提供一种在1260℃以上的温度下使制品隔热的方法，该方法包括将包含多根无机纤维的隔热材料布置在要隔热的制品之上、之中、附近或周围，所述无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii)约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
还提供了含有无机纤维的绝缘制品，其选自毯、块、板、填缝组合物、水泥组合物、涂料、毡、垫、可模塑组合物、模块、纸、可泵送组合物、油灰组合物、片材、夯实混合料、真空铸造模型、真空铸模，或机织织物、编织物、布、织物、绳索、带、套管、芯吸材料，所述含有纤维的制品包含多根无机纤维，所述无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
附图简述
图1是一幅温度-粘度图，对某些纤维熔体组合物显示了粘度的温度依赖性。
图2是显示氧化铝粉末和本发明的纤维的混合物与氧化铝粉末和已知纤维的混合物比较的DSC曲线的图。
详细描述
该无机纤维在1260℃以上的使用温度下表现出良好的热性能，在暴露于使用温度后保持机械完整性，在失透(devitrificatiion)后不含结晶二氧化硅，耐碱性熔剂，在酸性介质中表现出低的生物持久性，且在中性介质中表现出低的溶解性。该无机纤维的原料成分的熔融熔体在较低的温度下比常规陶瓷纤维(如硅酸铝)具有更长的粘度曲线，从而降低了纤维可从熔体形成时的纤维化温度，并且缓和了整体熔融和纤维制造。这是对耐火陶瓷纤维和碱土二氧化硅纤维熔体的改进，这些熔体具有用于纤维化的较短粘度范围，并在冷却过程中经历快速凝固。
与耐火陶瓷纤维或碱土硅酸盐纤维相比，本发明的无机纤维的熔体具有扩展的粘度范围，这使得它们适合通过例如纤维拉伸工艺形成连续纤维。与商业上可获得的硅酸铝纤维和硅酸铝钾硅酸盐纤维相比，本发明的无机纤维的扩展的粘度范围如图1所示。与基于硅酸铝化学的典型耐火陶瓷纤维的粘度相比，硅酸铝钾纤维(potassia alumino-silicatefiber)的粘度要高得多。当氧化镁被添加到硅酸铝钾化学中时，粘度明显降低。因此，本发明的纤维(例如，硅酸铝镁钾(Potasia-Magnesia-Alumino-Silicate))的温度-粘度曲线移动到低得多的温度，从约1640℃到约1465℃。本发明纤维的温度-粘度曲线的这种移动降低了熔融的操作温度和纤维化的温度。本发明的无机纤维化学的熔体在其被冷却下来时保持其液体/玻璃质状态，而没有任何结晶，从而提供了扩展的粘度范围。扩展的粘度范围使得能通过合适的纤维拉伸方法形成连续的纤维。
无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种过渡金属氧化物。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少镧系金属氧化物。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物和至少一种过渡金属氧化物的组合。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物和至少镧系金属氧化物的组合。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种过渡金属氧化物和至少镧系金属氧化物的组合。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %一氧化二钾，和(iv) 约15-约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15-约35 mol %氧化镁。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %一氧化二钾，和(iv) 约15-约35 mol %的氧化镁。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %一氧化二钾，和(iv) 约15-约35 mol %的氧化镁，且其中二氧化硅+氧化铝+一氧化二钾的量少于或等于80mol %。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %一氧化二钾，和(iv) 约15-约35 mol %的氧化镁，其中二氧化硅+氧化铝+一氧化二钾的量少于或等于80mol %，且其中纤维在高温下结晶后不显示出由x-射线衍射(XRD)测量的任何结晶二氧化硅相。也就是说，无机纤维在高温下结晶后，XRD无法检测到结晶二氧化硅相。
根据某些示例性实施方案，无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15-约50mol %二氧化硅，(ii) 约10-约35 mol %氧化铝，(iii) 约10-约35 mol %一氧化二钾，和(iv) 约15-约35 mol %的氧化镁，其中二氧化硅+氧化铝+一氧化二钾的量少于或等于80mol %，其中在高温下经历结晶的纤维不显示出由x-射线衍射(XRD)测量的任何结晶二氧化硅相，且其中无机纤维在酸性介质中表现出低生物持久性。
根据某些示例性实施方案，二氧化硅(i)在无机纤维中按mol %计的量可从约15至约45 mol %，从约15至约40 mol %，从约20至约40 mol %，从约15至约35 mol %，从约15至约30 mol %，从约20至约30 mol %，从约15至约25 mol %，从约15至约20 mol %，从约40至约50 mol %，从约40至约45 mol %，和从约40至约44 mol %。根据某些示例性实施方案，氧化铝(ii)在无机纤维中按mol %计的量可从约15至约30 mol %，从约15至约25 mol %，和从约15至约20 mol %。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物(iii)在无机纤维中按mol %计的量可从约15至约30 mol %，从约15至约25 mol %，和从约15至约20 mol %。根据某些示例性实施方案，碱土金属氧化物、或过渡金属氧化物、或镧系金属氧化物或其组合(iv)按mol %计可从约15至约30 mol %，从约15至约25 mol %，和从约15至约20 mol %。任何上述(i)、(ii)、(iii)和(iv)的纤维组分的mol %可组合以形成无机纤维。纤维组分(i)、(ii)、(iii)和(iv)的mol %不能超过100 mol %。
根据某些示例性实施方案，氧化铝和至少一种碱金属氧化物的组合量为30 mol %以上。
根据某些示例性实施方案，氧化铝和至少一种碱金属氧化物的组合量为34 mol %以上。
根据某些示例性实施方案，氧化铝和至少一种碱金属氧化物的组合量为30 mol %以上，其中氧化铝的量是14 mol %以上。
根据某些示例性实施方案，氧化铝和至少一种碱金属氧化物的组合量为34 mol %以上，其中氧化铝的量是14 mol %以上。
应该理解，当在本公开中描述值的范围时，意图为该范围内的任何和每个值，包括端点，视为已经公开。例如，“从约15至约50 mol %二氧化硅的范围”将被解读为表明沿着15和50之间的闭联集的各个和每个可能的数字。要理解，发明人理解并懂得，该范围内的任何和所有值都应被视为已被规定，并且发明人拥有整个范围和范围内的所有值。
在本公开中，连同值使用的术语“约”包括所述值，并具有由上下文支配的含义。例如，它至少包括与特定值的测量相关的误差程度。本领域的普通技术人员将会理解，本文使用术语“约”来表示列举值的“约”的量在本公开的组合物和/或方法中产生期望的有效性程度。本领域的普通技术人员还将理解，关于实施方案中任何组分的百分比、量或数量的值的“约”的边界和界限，可以通过改变该值、确定对于各值的组合物的有效性以及根据本公开确定产生具有期望的有效性程度的组合物的值的范围来确定。术语“约”还用来反映组合物可含有不会改变组合物的有效性或安全性的其它材料的微量组分的可能性。
在本公开中，术语“基本上”是指偏离程度，该偏离程度足够小以至于不能可测量地减损所指认的特性或情况。在某些情况下，可允许的确切偏离程度可能取决于具体的上下文。短语"基本上不含"是指该组合物排除了超出微量杂质的任何量，这些微量杂质不是有意添加到纤维熔体中的，而是可能存在于从中生产纤维的起始原料中。
本文公开的组成mol%是基于纤维组分的总mol %。本领域的普通技术人员应该理解，纤维的总mol %不能超过100%。例如，本领域普通技术人员将容易地认识和理解，(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物、或至少一种过渡金属氧化物、或至少镧系金属氧化物或其组合的纤维化产物将不超过100 mol %。本领域普通技术人员将理解，纤维组分的mol %将被调整，以包括所需量的组分，而不超过100mol %。
根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1:1至约2:1范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1:1至约1.75:1范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1:1至约1.5:1范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1:1至约1.25:1范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1.25:1至约1.75:1范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1.5:1至约1.75:1范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1:3至约1:5范围内。根据某些示例性实施方案，碱金属氧化物:氧化铝的摩尔比是在约1:3至约1:4范围内。
暴露于1260℃24小时后被XRD检测到的无机纤维中的主要结晶相，是硅酸铝钾(KA1SiO4)。其它结晶相可包括例如镁橄榄石(forsterite)、尖晶石(spinel)、硅酸镁钾(K2MgSi3O8)、白榴石(leucite)和方镁石(periclase)。根据某些示例性实施方案，在纤维暴露于1260℃24小时后，无机纤维由XRD检测到含有70 %以上的硅酸铝钾。纤维不含可由XRD检测到的结晶二氧化硅相。
根据某些示例性实施方案，在纤维暴露于1260℃24小时后，无机纤维由XRD检测到含有70 %以上的硅酸铝钾和从约10至约30 %的镁橄榄石(Mg2SiO4)。纤维不含可由XRD检测到的结晶二氧化硅相。
根据某些示例性实施方案，在纤维暴露于1260℃24小时后，无机纤维由XRD检测到含有70 %以上的硅酸铝钾和从约2至约10 %镁橄榄石(Mg2SiO4)。纤维不含可由XRD检测到的结晶二氧化硅相。
根据某些示例性实施方案，在纤维暴露于1260℃24小时后，无机纤维由XRD检测到含有70 %以上的硅酸铝钾和从约10至约30 %的镁橄榄石(Mg2SiO4)和白榴石(KAlSi2O6)的组合。纤维不含可由XRD检测到的结晶二氧化硅相。
根据某些示例性实施方案，在纤维暴露于1260℃24小时后，无机纤维由XRD检测到含有70 %以上的硅酸铝钾和从约10至约30 %的镁橄榄石(Mg2SiO4)，和从约2至约10 %的尖晶石(MgAl2O4)。纤维不含可由XRD检测到的结晶二氧化硅相。
根据某些示例性实施方案，在纤维暴露于1260℃24小时后，无机纤维由XRD检测到含有70 %以上的硅酸铝钾和从约10至约30 %的镁橄榄石(Mg2SiO4)，和从约2至约10 %的尖晶石(MgAl2O4)和硅酸镁钾的组合。纤维不含可由XRD检测到的结晶二氧化硅相。
本文另外提供了一种制备无机纤维的方法。根据某些示例性实施方案，制备纤维的方法包括：合并原料成分以形成原料成分的熔融熔体，所述原料成分包含：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合；和从熔融熔体生产纤维。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种过渡金属氧化物。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少镧系金属氧化物。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物和至少一种过渡金属氧化物的组合。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物和至少镧系金属氧化物的组合。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种过渡金属氧化物和至少镧系金属氧化物的组合。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %一氧化二钾，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的氧化镁。
根据某些实施方案，制备纤维的方法包括形成包含以下物质的原料成分的熔融熔体：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35mol %的一氧化二钾，和(iv) 约15至约35 mol %的氧化镁。
根据某些实施方案，原料成分的熔融熔体中的二氧化硅+氧化铝+一氧化二钾的量少于或等于80 mol %。
根据某些实施方案，原料成分的熔融熔体中的氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量为30 mol %以上。
根据某些实施方案，原料成分的熔融熔体中的氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量为34 mol %以上。
根据某些实施方案，原料成分的熔融熔体中的氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量是30 mol %以上，和原料成分的熔融熔体中氧化铝的量为14 mol %以上。
根据某些实施方案，原料成分的熔融熔体中的氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量为34 mol %以上，和原料成分的熔融熔体中氧化铝的量为14 mol %以上。
无机纤维可通过纤维吹制或纤维纺丝技术制备。合适的纤维吹制技术包括以下步骤：将起始原料混合在一起以形成成分的材料混合物，将成分的材料混合物引入合适的器皿或容器中，将成分的材料混合物熔化以通过合适的喷嘴排出，并将高压气体吹到成分的熔融材料混合物的排出流上以形成纤维。
合适的纤维纺丝技术包括以下步骤：将起始原料混合在一起以形成成分的材料混合物，将成分的材料混合物引入合适的器皿或容器中，将成分的材料混合物熔化以通过合适的喷嘴排放到纺车上。然后，熔融流在纺车上瀑布似地落下，覆盖纺车并通过向心力甩出，从而形成纤维。
成分的材料熔体的粘度可任选地由其它粘度改性剂的存在控制，其它粘度改性剂的量足以提供期望的应用所需的纤维化。粘度改性剂可能存在于供应熔体主要组分的原料中，或可能至少部分地单独添加。原料的所需粒度是通过炉况来确定的，炉况包括炉尺寸(SEF)、灌注速率、熔体温度、停留时间等。
也提供使制品在1260℃、或1400℃或更高的温度下隔热的方法。使有需要的制品隔热的方法包括将包含多根无机纤维的隔热材料布置在要隔热的制品之上、之中、附近或周围，所述无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii)约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
也提供为有需要的制品或结构提供防火材料的方法。该方法包括将包含多根无机纤维的防火材料布置在要防护的制品或结构之上、之中、附近或周围，所述无机纤维包含以下物质的纤维化产物：(i) 约15至约50 mol %二氧化硅，(ii) 约10至约35 mol %氧化铝，(iii) 约10至约35 mol %的至少一种碱金属氧化物，和(iv) 约15至约35 mol %的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
无机纤维可成形为多种不同的隔热产品形式。隔热产品形式可以包括但不限于含纤维的毯、板、纸、毡、垫、块、模块、涂料、水泥、可模塑组合物、可泵送组合物、油灰、绳索、编织物、芯吸材料、织物(如布、带、套管、线、纱等)、真空铸造模型和复合材料。纤维可与用于生产含纤维的毯、真空铸造模型和复合材料的常规材料结合使用，作为常规耐火陶瓷纤维的替代品。纤维可以单独使用，也可以与其它材料如粘合剂、填料、膨胀性材料、吸热材料、不同化学组成的无机纤维等结合使用，用于生产含纤维的纸和毡。
实施例
列出以下实施例以更详细地描述无机纤维的示例性实施方案，并说明制备无机纤维、制备含有纤维的隔热制品和使用纤维作为隔热体的方法。然而，实施例不应被解释为限制纤维、含纤维制品、或以任何方式制备或使用纤维作为隔热体的方法。
线性收缩
通过使用一套刺针对纤维垫进行针扎来制备收缩垫。从垫切割3英寸x 5英寸的测试片，并用于收缩测试。仔细测量测试垫的长度和宽度。然后将测试垫放入炉中，使温度达到1400℃持续24小时。加热24小时后，从测试炉取出测试垫并冷却。冷却后，再次测量测试垫的长度和宽度。通过对“前”和“后”尺寸测量结果进行比较，确定测试垫的线性收缩。
以与对第一收缩垫所公开的相似的方式制备第二收缩垫。但将第二收缩垫放在炉中，并使温度达到1260℃持续24小时。加热24小时后，从测试炉取出测试垫并冷却。冷却后，再次测量测试垫的长度和宽度。通过对“前”和“后”尺寸测量结果进行比较，确定测试垫的线性收缩。
压缩恢复
通过压缩恢复测试来评价无机纤维在暴露于使用温度后保持机械强度的能力。压缩恢复是无机纤维对该纤维暴露于期望的使用温度给定的时间段作出响应的机械性能的量度。压缩恢复是通过将从无机纤维材料制造的测试垫烧制到测试温度选定的时间段来测量的。经烧制测试垫随后被压缩到其原来厚度的一半，并允许回弹。回弹量作为垫的经压缩厚度的恢复百分比来测量。在暴露于1260℃的使用温度24小时和168小时后，和暴露于1400℃的使用温度24小时和168小时后，测量压缩恢复。
纤维持久性测试
关于生物持久性，肺中有两种类型的pH环境。细胞外肺液中存在近中性pH环境，其pH一般在约7.4至约7.8范围内。第二种pH环境是在肺泡巨噬细胞中存在的更酸性的环境，其pH在约4.5至约5范围内。
无机纤维的生物持久性可以通过测量纤维在酸性或中性条件下失去质量的速率(ng/cm2-hr)来测试，这些条件模拟了人肺中的温度和化学条件。这项测试包括将大约0.1g去渣球纤维(de-shotted fiber)暴露于50 ml模拟肺液(“SLF”)中6小时。整个测试系统保持在37℃，以模拟人体的温度。
在SLF暴露于纤维后，用电感耦合等离子体光谱(Inductively Coupled PlasmaSpectroscopy)对玻璃成分进行收集和分析。还测量了“空白” SLF样品，并用于校正SLF中存在的元素。一旦得到该数据，就可以计算出纤维在研究的时间间隔内失去质量的速率。为了测量纤维在模拟肺液中的溶解速率，将约0.1 g纤维放入含有已被加热至37℃的模拟肺液的50 ml离心管中。然后将其放入摇动培养箱中6小时，以每分钟100个循环进行搅动。在测试结束时，离心该管，并将溶液倒入60 ml注射器中。然后，迫使溶液通过0.45 µm过滤器以除去任何颗粒，并使用电感耦合等离子体光谱分析来测试玻璃成分。这项测试可用近中性pH溶液或酸性溶液进行。虽然不存在特定的溶解速率标准，但溶解值超过100 ng/cm2-hr的纤维被认为是低生物持久性纤维的标志。
用于模拟肺液的组合物，其被用来测试本发明的纤维组合物的耐久性：
成分 量/补足
NH<sub>4</sub>Cl 10.72 g/50 mL
NaCl 135.6 g
NaHCO<sub>3</sub> 45.36 g
NaH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>·H<sub>2</sub>O溶液 3.31 g/50 mL
Na<sub>3</sub>C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>O<sub>7</sub>H<sub>2</sub>O溶液 1.18 g/50 mL
甘氨酸 9.08 g
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> (1 N溶液) 20.0 mL
CaCl<sub>2</sub> (2.75 wt.%溶液) 15.8 mL
甲醛 20.0 mL
向大约18升去离子水中，按上表所示的量依次添加上述试剂。用去离子水将混合物稀释至20升，并继续用磁力搅拌棒或其它合适的装置搅拌内容物至少15分钟。为制备酸性SLF，用移液管将盐酸滴缓慢加入碱溶液(上述组合物)中，同时搅拌混合，直至溶液的pH值达到4.5。
表I
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表II
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure 83599DEST_PATH_IMAGE004
表III
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Figure 740DEST_PATH_IMAGE006
表IV
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure 842794DEST_PATH_IMAGE008
对无机纤维的示例性实施方案的生物持久性进行了测试，结果列出于上表IV。在代表细胞外人肺液的近似pH的近中性pH下测定生物持久性。还在代表巨噬细胞内部环境的近似pH的约4.5的酸性pH下测定生物持久性。纤维持久性测试的结果表明，与中性或近中性介质中的溶解速率相比，本发明的无机纤维在酸性介质中表现出更高的溶解速率。这意味着纤维在潮湿的环境中可表现出耐水性或抵抗力，同时也可被巨噬细胞的酸性环境分解成较小的纤维碎片并有效地从体内消除。根据某些实施方案，无机纤维在酸性介质中表现出约500-约1200 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在中性或近中性介质中表现出约100-约500 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些实施方案，无机纤维在酸性介质中表现出约900-约1000(ng/cm2/hr)的溶解速率，而在中性或近中性介质中表现出约200至约300 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些实施方案，无机纤维在酸性介质中表现出约950至约1000 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在中性或近中性介质中表现出约250至约300 (ng/cm2/hr)的溶解速率。
根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出约100 (ng/cm2/hr)，或约200 (ng/cm2/hr)，或约225 (ng/cm2/hr)，或约250 (ng/cm2/hr)，或约275 (ng/cm2/hr)，或约300 (ng/cm2/hr)，或约400 (ng/cm2/hr)或约500 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出约100-约500 (ng/cm2/hr)，或100-约400 (ng/cm2/hr)，或约100-约300 (ng/cm2/hr)，或约100-约200 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据进一步的示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出约125-约200(ng/cm2/hr)，或约150-约200 (ng/cm2/hr)，或约175-约200 (ng/cm2/hr)，或约200-约500(ng/cm2/hr)，或约200-约400 (ng/cm2/hr)，或约200-约300 (ng/cm2/hr)，或约225-约300(ng/cm2/hr)，或约250-约300 (ng/cm2/hr)，或约275-约300 (ng/cm2/hr)，或约300-约500(ng/cm2/hr)，或约300-约400(ng/cm2/hr)，或约400-约500(ng/cm2/hr)的溶解速率。
根据某些示例性实施方案，无机纤维在酸性pH下表现出至少300 (ng/cm2/hr)，或至少400 (ng/cm2/hr)，或至少500 (ng/cm2/hr)，或至少600 (ng/cm2/hr)，或至少700 (ng/cm2/hr)，或至少800 (ng/cm2/hr)，或至少900 (ng/cm2/hr)，或至少1000 (ng/cm2/hr)，或至少1100 (ng/cm2/hr)，或至少1200 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在酸性pH下表现出约300-约1200 (ng/cm2/hr)，或约400-约1100 (ng/cm2/hr)，或约400-约1000 (ng/cm2/hr)，或约400-约900 (ng/cm2/hr)，或约500-约l100 (ng/cm2/hr)，或约600-约1100 (ng/cm2/hr)，或约700-约1100 (ng/cm2/hr)，或约800-约1100 (ng/cm2/hr)，或约900-约1100 (ng/cm2/hr)，或约700-约1100 (ng/cm2/hr)，或约700-约1000 (ng/cm2/hr)，或约700-约900 (ng/cm2/hr)，或约400-700 (ng/cm2/hr)的溶解速率。
根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少100 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少300 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少200 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少400 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少250 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少450 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少200 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少700 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少250 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少900 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少250 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少1000 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少250 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少1100 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少300 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少1000 (ng/cm2/hr)的溶解速率。根据某些示例性实施方案，无机纤维在基本上中性pH下表现出至少500 (ng/cm2/hr)的溶解速率，而在酸性pH下表现出至少1000 (ng/cm2/hr)的溶解速率。
耐熔剂测试
从本公开的无机纤维制备的纤维垫的耐熔剂性被分析。在3”x 5”x l”的针扎垫中冲压直径为l”的圆柱形孔，然后将其放置在另外两个相同尺寸和纤维的针扎垫之间，有一个针扎垫在底部，而另一个针扎垫在顶部。然后用一定量的粉末熔剂(flux agent)填充圆柱形孔。将堆叠的垫在1260℃烧制6 hrs。检查熔剂与纤维垫接触的外观，以确定熔剂下纤维的腐蚀程度。K2CO3、Na2CO3、Na2B4O7被用作本测试的熔剂。
表V
样品 K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> (6g) K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> (3g) Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> (6g) Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub> (1.5g)
C1 反应的 反应的 反应的 反应的
19 良好-无反应 良好-无反应 良好-无反应 反应的
24 良好-无反应 良好-无反应 良好-无反应 反应的
氧化铝相容性测试
对本发明无机纤维的纤维垫的相容性进行评价。在氧化铝粉末层上铺设针扎纤维垫，并在1150℃下烧制14天。烧制后，检查纤维垫与氧化铝粉末接触处的外观，以确定氧化铝与纤维之间的反应程度。如果氧化铝粉末粘在纤维垫表面上，则表明发生了反应，因此氧化铝与纤维之间的相容性差。否则，如果观察到氧化铝粉末与针扎纤维垫之间很少或没有反应，则纤维与氧化铝相容。氧化铝相容性测试的结果列出于下表VI中。
表VI
<u>样品</u> <u>结果</u>
AES 1* 反应的；氧化铝粘在垫底上。
AES 2* 反应的；氧化铝粘在垫底上。
3 氧化铝粉末不粘在垫底上。
4 氧化铝粉末不粘在垫底上。
8 氧化铝粉末不粘在垫底上。
13 氧化铝粉末不粘在垫底上。
23 氧化铝粉末不粘在垫底上。
*, 缩写"AES"指碱土硅酸盐纤维。
另一种评价无机纤维与氧化铝相容性的方式是观察50 wt %纤维和50 w t%氧化铝混合物的差示扫描量热测定(DSC)。纤维和氧化铝混合物被球磨。 DSC以20℃/min的加热速率运行，最高达1400℃。图2的图示出了氧化铝与样品5的纤维、碱土硅酸盐纤维(硅酸镁钙纤维；硅酸镁纤维)和硅酸铝纤维(SiO2 56 wt¾, Al2O3 44 wt¾)的混合物的DSC曲线。碱土硅酸盐纤维与氧化铝的DSC曲线在高温端的跌落表明发生了反应。另一方面，在本发明的无机纤维与氧化铝或参比硅酸铝纤维与氧化铝的DSC曲线中没有观察到这一点，这表明本发明的纤维与氧化铝之间很少或根本没有反应。
XRD测试
于1260℃热处理纤维样品24小时。将每种经热处理的纤维样品10克磨3分钟。粉末纤维样品的X-射线衍射(XRD)测量在Phillips APD 3600系统上用Jade软件运行。在以下条件下进行XRD扫描：从6到60°2θ，每0.02°步进进行2秒计数。使用α-A12O3作为分析用的内标，通过RIR半-定量分析进行XRD分析。
于1260℃热处理24小时后，由XRD检测到的某些示例性无机纤维的晶相列出于下表VII中。
表VII
Figure DEST_PATH_IMAGE009
虽然无机纤维、隔热体、制备无机纤维的方法和使用隔热体来使制品绝缘的方法已连同各个实施方案进行了描述，但应理解的是，可以使用其它类似的实施方案，或者可以对所述实施方案进行修改和补充，以执行相同的功能。此外，各种示例性实施方案可以组合以产生所需的结果。因此，无机纤维、隔热体、制备无机纤维的方法和使用隔热体来使制品绝缘的方法不应限于任何单一实施方案，而是根据所附权利要求书的叙述，在广度和范围内加以解释。应该理解，本文描述的实施方案仅仅是示例性的，并且本领域技术人员可以在不偏离发明的精神和范围的情况下进行变化和修改。所有这样的变化和修改都旨在包括在如本文上述的本发明的范围内。此外，所公开的所有实施方案不一定在备选方案中，因为本发明的各种实施方案可以组合以提供所需的结果。

Claims (20)

1.一种无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合；
其中二氧化硅+氧化铝+碱金属氧化物的量是80mol％以下。
2.权利要求1的无机纤维，其中所述纤维暴露于1260℃24小时后不显示出用x-射线衍射(XRD)测量的结晶二氧化硅相。
3.权利要求2的无机纤维，其中所述无机纤维在酸性介质中表现出6小时溶解速率，其大于在中性或近中性介质中的6小时溶解速率。
4.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的至少一种碱土金属氧化物。
5.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的至少一种过渡金属氧化物。
6.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；
(iv)约15-约35mol％的至少镧系金属氧化物。
7.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的至少一种碱土金属氧化物和至少一种过渡金属氧化物的组合。
8.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的至少一种碱土金属氧化物和至少镧系金属氧化物的组合。
9.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的至少一种过渡金属氧化物和至少镧系金属氧化物的组合。
10.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％一氧化二钾，和
(iv)约15-约35mol％的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合。
11.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物；和
(iv)约15-约35mol％的氧化镁。
12.权利要求1的无机纤维，其包含以下物质的纤维化产物：
(i)约15-约50mol％二氧化硅；
(ii)约10-约35mol％氧化铝；
(iii)约10-约35mol％的一氧化二钾；和
(iv)约15-约35mol％的氧化镁。
13.权利要求1的无机纤维，其中氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量是30mol％以上。
14.权利要求1的无机纤维，其中氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量是34mol％以上。
15.权利要求13的无机纤维，其中氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量是30mol％以上，其中氧化铝的量是14mol％以上。
16.权利要求14的无机纤维，其中氧化铝+所述至少一种碱金属氧化物的量是34mol％以上，其中氧化铝的量是14mol％以上。
17.一种制备无机纤维的方法，其包括：
合并原料成分以形成原料成分的熔融熔体，所述原料成分包含：i)约15-约50mol％二氧化硅，(ii)约10-约35mol％氧化铝，(iii)约10-约35mol％的至少一种碱金属氧化物，和(iv)约15-约35mol％的至少一种碱土金属氧化物，或至少一种过渡金属氧化物，或至少镧系金属氧化物，或其组合；和
从熔融熔体产生纤维。
18.一种在1260℃以上的温度下使制品隔热的方法，其包括将包含多根权利要求1的无机纤维的隔热材料布置在要隔热的制品之上、之中、附近或周围。
19.一种在1400℃以上的温度下使制品隔热、或为所述制品提供防火的方法，其包括将包含多根权利要求1的无机纤维的隔热材料布置在要隔热的制品之上、之中、附近或周围。
20.一种从多根权利要求1的无机纤维制备的隔热或防火材料，所述材料选自毯、块、板、填缝组合物、水泥组合物、涂料、毡、垫、可模塑组合物、模块、纸、可泵送组合物、油灰组合物、片材、夯实混合料、真空铸造模型、真空铸模，或机织织物、编织物、布、织物、绳索、带、套管和芯吸材料。
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