CN116075488A - 具有增强的生物持久性的矿物纤维组合物及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本文描述了具有增强特性(诸如生物持久性和耐热收缩率)的矿物纤维组合物。还描述了其制造和使用方法。该组合物可以包括氧化锰和氧化铝。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2020年8月10日提交的美国临时申请第63/063,512号的PCT国际申请。上述申请的公开内容结合于此作为参考。
背景技术
人造矿物纤维通常用于各种应用。通常，它们用于制造绝缘产品。它们还可以与各种填料和粘合剂结合，制成类似板材的材料，然后可以制成用于室内空间的天花板和墙壁产品。后者的这些产品通常提供隔热和隔音，并且还可以提供有限的火焰和烟雾保护，因为矿物纤维可能是一种最低限度的可燃材料。
然而，在商业应用中使用人造纤维之前，许多国家或地区要求该材料通过安全分析，从而确保该材料不会对哺乳动物造成不良健康影响。例如，欧盟要求长度超过20μm的人造纤维在40天内表现出至少50％的清除率。
因此，希望提供能够达到此类健康和安全要求的矿物纤维组合物。
发明内容
该概述仅旨在介绍本发明的一个或多个实施的一些方面的简化概述。根据下文提供的详细描述，本发明的更多应用领域将变得显而易见。该概述不是详尽的概述，也不是旨在识别本教导的关键或关键要素，也不是为了描述本发明的范围。相反，其目的仅仅是以简化的形式呈现一个或多个概念作为以下详细描述的前奏。
申请人已经发现，使用具有一定浓度和比率的氧化锰和氧化铝的矿物纤维有益于体内健康状况。一方面，健康状况可以表现出有效的体内生物持久性。因此，在一个实施例中，本发明是一种包括矿物纤维的组合物，其中，矿物纤维包括氧化锰和氧化铝。
在至少一个实施例中，本发明涉及一种包括矿物纤维的组合物，其中该矿物纤维包括氧化锰和氧化铝，并且其中氧化锰的量为基于矿物纤维的总重量的约7％至约10％。在某些实施例中，氧化铝的量大于基于矿物纤维的总重量的约17％。在某些实施例中，氧化铝的量为基于矿物纤维的总重量的17.5％至21.0％之间。在某些实施例中，矿物纤维包括基于矿物纤维的总重量的35.0％至41.0％之间的SiO2。在某些实施例中，矿物纤维包括基于矿物纤维的总重量的0.20％至2.00％之间的Fe2O3T。在某些实施例中，矿物纤维包括基于矿物纤维的总重量的5％至9％之间的MgO。在某些实施例中，矿物纤维包括基于矿物纤维的总重量的18％至25％之间的CaO。在某些实施例中，矿物纤维包括基于矿物纤维的总重量1.0％至2.0％之间的K2O。在某些实施例中，矿物纤维占约40wt.％的SiO2和约18.9wt.％的Al2O3。在某些实施例中，矿物纤维还包括约8.65wt.％的MgO。在某些实施例中，矿物纤维还包括约0.49wt.％的Fe2O3T。在某些实施例中，矿物纤维包括约21wt.％的CaO。在某些实施例中，矿物纤维内的(SiO2+Al2O3)/MnO的比率在7与8之间。在某些实施例中，矿物纤维内的(SiO2+Al2O3)/(MnO+Fe2O3T)的比率在6至8之间。在某些实施例中，矿物纤维内的(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)之和至少为50。在某些实施例中，矿物纤维内的(SiO2+MnO)/(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)的比率小于1。在某些实施例中，矿物纤维包括直径小于3微米且长度大于20微米的纤维。在某些实施例中，矿物纤维包括直径小于3微米且长度大于20微米且沉积到动物肺中时半衰期(half-life)小于40天的纤维。在某些实施例中，动物是老鼠。在其他实施例中，本发明涉及一种用于制备本文所述组合物的方法。在进一步的实施例中，本发明涉及本文所述组合物的用途。
在其他实施例中，本发明涉及一种包括上述任何组合物的镶板。在某些实施例中，镶板是天花板。在某些实施例中，本发明涉及一种包括本发明镶板的天花板系统。在某些实施例中，该系统还包括全体空间。在某些实施例中，本发明涉及一种用于制造如本文所述镶板的方法。
根据下文提供的详细描述，本发明的更多应用领域将变得显而易见。应当理解，详细描述和具体实例虽然表明了本发明的典型实施例，但仅用于说明的目的，并不用于限制本发明的范围。
附图说明
从详细描述和附图中将更充分地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的建筑镶板的俯视立体图；
图2是根据本发明一个实施例的建筑镶板的剖视图，该剖视图沿着图1中所示的II线；
图3是根据本发明的天花板系统的立体图；
图4是包括根据本发明的一个实施例的建筑镶板的天花板系统；
图5是根据本发明的一个实施例的建筑镶板的边缘的截面特写图；和
图6是根据一个实施例的天花板系统的立体图。
所有附图都是示意性的，不一定按比例绘制。为了简洁起见，在一个图中被赋予参考数字标号的部件可以被认为是在其他图中出现的没有数字标号的相同部件，除非特别标注不同的部件号并在此描述。
具体实施方式
为了说明的目的，通过参考其各种示例性实施例来描述本发明的原理。尽管本文具体描述了本发明的某些实施例，但本领域的普通技术人员将容易认识到相同的原理同样适用于并且可以用于其他应用和方法。应当理解，本发明的应用不限于所示的任何特定实施例的细节。此处使用的术语是为了描述的目的，而不是限制本发明、其应用或用途。
如本文和所附权利要求中所使用，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有说明。任何一类成分的单数形式不仅指该类成分中的一种化学物种，而且指这些化学物种的混合物。术语“一(或一个)”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”可以互换使用。“包括”一词应解释为“包括但不限于”。“包含”一词应理解为“包含但不限于”。
如通篇所用，范围用作描述范围内的每个值的简写。可以选择范围内的任何值作为范围的端点。
除非另有说明，本文和说明书其他地方表示的所有百分比和量应理解为指总组合物的重量百分比。提及以“wt.％”存在的一个或多个分子是指基于组合物总重量该分子或多个分子在组合物中存在的量。
根据本申请，与数值结合使用的术语“约”是指可以是该数值的+/-5％的值。如本文所用，术语“基本上不含”意指小于约5.0wt.％、小于3.0wt.％、1.0wt.％的量；优选小于组合物的约0.5wt.％，更优选小于约0.25wt.％。
如本文所用，术语“生物持久性”旨在指无论肺的生理清除机制和环境条件如何，纤维材料在肺中持续存在的能力。表现出高生物持久性的纤维材料不易从该组织清除。
如本文所用，术语“矿棉”或“矿渣棉”可互换使用并且指的是纤维的无光泽、羊毛状纤维外观。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。本文引用或引用的所有专利、专利申请、出版物和其他参考文献均出于所有目的通过引用整体并入。如果本发明中的定义与引用的参考文献中的定义发生冲突，则以本发明为准。
本发明人已经发现，提供包括含有高含量氧化锰的矿物纤维的某些组合物提供了具有良好结构质量以及有益的生物安全特性的材料。这种有益的生物安全特性可以通过许多方面来举例说明。在第一方面，有益的生物安全特性是纤维的体内清除。另一方面，有益的生物安全特性可以是低生物持久性。这种清除或生物持久性可以通过例如使用动物模型来举例说明。另一方面，有益的生物安全特性可以通过遵循国家和/或地区要求的毒理学协议来显示。在其他方面，本文所述组合物可用作绝缘材料。绝缘材料可用作例如建筑材料。
在一个实施例中，本发明提供了包括含有氧化锰的矿物纤维的组合物。此类组合物提供例如但不限于用作建筑材料的用途，并且还出人意料地表现出有益的体内生物持久性特征。
在至少一个实施例中，该组合物包括矿物纤维。矿物纤维可包括氧化锰和氧化铝，其中氧化锰为矿物纤维总重量的约7wt.％至约10wt.％。
矿物纤维包括氧化锰(MnO)。在某些实施例中，氧化锰的量为基于矿物纤维的总重量的约5％至约15％。例如，氧化锰的量可以为约5.0wt.％、约5.5wt.％、约6wt.％、约6.5wt.％、约7.0wt.％、约7.5wt.％、约8.0wt.％、约8.5wt.％、约9.0wt.％、约9.5wt.％、约10.0wt.％、约10.5wt.％、约11.0wt.％、约11.5wt.％％、约12.0wt.％、约12.5wt.％、约13.0wt.％、约13.5wt.％、约14.0wt.％或约14.5wt.％至约15wt.％。在另一个实施例中，氧化锰的量为可以为基于矿物纤维的总重量的5％至约10.0％、约5％至约9.5％、约5.5％至约9.5％、或约6％至约9％。在另一个实施例中，氧化锰的量可以为基于矿物纤维的总重量的约8.0％至约9.0％。在进一步的实施例中，氧化锰的量可以为基于矿物纤维的总重量的约7.5％至约9.5％。在另一个实施例中，氧化锰的量可以为基于矿物纤维的总重量的约7.8％至约9.3％、约8.0％至约9.0％、约8.0％至约8.6％、约8.0％至约8.4％或约8.0％至约8.2％。在进一步的实施例中，氧化锰的量可以为基于矿物纤维的总重量的约7.8％至约8.6％、约7.8％至约8.4％或约8.0％至约8.4％。在典型的实施例中，矿物纤维可包括约8.0wt.％至约8.5wt.％，或更典型地约8.15wt.％的氧化锰。
在至少一个实施例中，矿物纤维包括氧化铝(Al2O3)。氧化铝可以各种量或浓度存在。在一个实施例中，氧化铝的量为基于矿物纤维的总重量的大于约17％。在另一个实施例中，氧化铝的量为基于矿物纤维的总重量的大于约17.5％、大于约18.0％、大于约18.5％或大于约19.0％。在一个实施例中，氧化铝的量为基于矿物纤维的总重量的约16％至约22％。例如，氧化铝的量可以为约16.0wt.％、约16.5wt.％、约17.0wt.％、约17.5wt.％、约18.0wt.％、约18.5wt.％、约19.0wt.％、约19.5wt.％％、约20.0wt.％、约20.5wt.％、约21.0wt.％或约21.5wt.％至约22wt.％。在另一个实施例中，氧化铝的量可以为基于矿物纤维的总重量的约17.5％至约21.0％、约18.0％至约22.0％、约18.0％至约20.0％、约18.0％至约19.5％、约18.0％至约19.0％，或约18.1％至约18.9％。在另一个实施例中，氧化铝的量为基于矿物纤维的总重量的17.2％至21.5％之间、17.5％至21.0％之间或18.0％至19.0％之间。在典型的实施例中，矿物纤维可包括约18.0％至约20.0％的氧化铝。
在至少一个实施例中，矿物纤维包括二氧化硅(SiO2)。二氧化硅可以各种量或浓度存在。在一个实施例中，二氧化硅的量可以为基于矿物纤维的总重量的约35.0％至约45.0％。例如，二氧化硅的量可以为约35.0wt.％、约37.0wt.％、约39.0wt.％、约39.5wt.％、约40.0wt.％、约40.5wt.％、约41.0wt.％、约43.0wt.％，或约44.0wt.％至约45wt.％。在另一个实施例中，二氧化硅的量可以为基于矿物纤维的总重量的约35.0％至约41.0％、约35.5％至约39.5％、约35.5％至约41.5％、约35.5％至约41.0％、约35.5％至约40.5％，或约35.5％至约40.0％。在另一个实施例中，二氧化硅的量可以为基于矿物纤维的总重量的约37.0％至约41.0％、约37.0％至约40.5％、约37.0％至约40.0％、约37.0％至约39.5％、或约37.0％至约39.0％。在典型的实施例中，矿物纤维可包括约35.0％至约40.0％的二氧化硅。
在某些实施例中，矿物纤维包括氧化铁。术语“Fe2O3T”是指矿物纤维中氧化铁的总量。本领域的技术人员可以认识到矿物纤维可以包括三氧化二铁(Fe2O3)和氧化亚铁(FeO)。然而，在分析测定期间，氧化亚铁可能被氧化成三价铁形式。因此，Fe2O3T是这两种潜在物种的代表。氧化铁可以各种量或浓度存在。在一个实施例中，氧化铁的量可以为基于矿物纤维的总重量的约0.20％至约2.00％。例如，氧化铁的量可以为约0.20wt.％、约0.25wt.％、约0.30wt.％、约0.40wt.％、约0.45wt.％、约0.47wt.％、约0.49wt.％、约0.50wt.％、约0.51wt.％、约0.60wt.％、约0.65wt.％、约0.70wt.％、约0.80wt.％、约0.90wt.％、约1.00wt.％、约1.20wt.％、约1.40wt.％、约1.60wt.％、或约1.70wt.％至约2.00wt.％。在另一个实施例中，氧化铁的量可以为基于矿物纤维的总重量的约0.25％至约1.00％、0.35％至约0.75％、约0.35％至约0.65％、0.40％至约0.60％、或约0.40％至约0.50％。在典型的实施例中，矿物纤维可包括基于矿物纤维的总重量的约0.25％至约0.75％、或约0.49％的氧化铁。
在某些实施例中，矿物纤维包括氧化镁(MgO)。氧化镁可以各种量或浓度存在。在一个实施例中，氧化镁的量可以为基于矿物纤维的总重量的约4.0％至约12.0％。例如，氧化镁的量可以为约4.0wt.％、约4.5wt.％、约5.0wt.％、约5.5wt.％、6.0wt.％、约6.2wt.％、约6.4wt.％、约6.6wt.％、约6.8wt.％、约7.0wt.％、约7.2wt.％、约7.6wt.％、约7.8wt.％、约8.0wt.％、约8.2wt.％、约8.4wt.％、约8.6wt.％，或约8.8wt.％至约9.0wt.％。在另一个实施例中，氧化镁的量可以为基于矿物纤维的总重量的约6.0％至约9.0％、6.5％至约9.0％、7.0％至约9.0％、约8.0％至约8.8％、或约8.0％至约8.7％、或约8.0％至约9.0％。在典型的实施例中，矿物纤维可包括基于矿物纤维的总重量的约8.0％至约9.0％的氧化镁。
在某些实施例中，矿物纤维包括氧化钙(CaO)。氧化钙可以各种量或浓度存在。在一个实施例中，氧化钙的量可以为基于矿物纤维的总重量的约18.0％至约25.0％。例如，氧化钙的量可以为约18.0wt.％、约18.5wt.％、约19.0wt.％、约19.5wt.％、20.0wt.％、约20.5wt.％、约21.0wt.％、约21.5wt.％、约22.0wt.％、约22.5wt.％、约23.0wt.％、约23.5wt.％、约24.0wt.％、或约24.5wt.％至约25.0wt.％。在另一个实施例中，氧化钙的量可以为基于矿物纤维的总重量的约18.0％至约22.0％、18.5％至约21.5％、19.0％至约21.5％、约19.5％至约21.0％、或约20.0％至约21.0％。在典型的实施例中，矿物纤维可包括基于矿物纤维的总重量的约20.0％至约21.0％的氧化钙。
在某些实施例中，矿物纤维包括氧化钾(K2O)。氧化钾可以各种量或浓度存在。在一个实施例中，氧化钾的量可以为基于矿物纤维的总重量的约0.5％至约2.0％。例如，氧化钾的量可以为基于矿物纤维的总重量的可以为约0.5wt.％、约0.7wt.％、约0.9wt.％、约1.1wt.％、1.3wt.％、约1.5wt.％、约1.7wt.％、或约1.9wt.％至约2.0wt.％。在另一个实施例中，氧化钾的量可以为基于矿物纤维的总重量的约1.0％至约2.0％、1.2％至约1.8％、1.4％至约1.8％、约1.6％至约1.8％、或约1.6％。在典型的实施例中，矿物纤维可包括基于矿物纤维的总重量的约1.0％至约2.0％的氧化钾。
氧化硅、氧化铝和氧化锰的质量比可以变化。在某些实施例中，矿物纤维内的(SiO2+Al2O3)/MnO的比率在7与8之间。例如，矿物纤维可包括40wt.％的SiO2、18.95wt.％的Al2O3和8.15wt.％的MnO，其产率为7.23。在某些实施例中，(SiO2+Al2O3)/MnO的比率为约7:1至约7.9。在进一步的实施例中，(SiO2+Al2O3)/MnO的比率为约7.23。
氧化硅、氧化铝、氧化锰和氧化铁的质量比可以变化。在某些实施例中，矿物纤维内的(SiO2+Al2O3)/(MnO+Fe2O3T)的比率为6至8之间。例如，矿物纤维可包括40wt.％的SiO2、18.95wt.％的Al2O3、8.15wt.％的MnO和0.49wt.％的Fe2O3T，其产率为6.85。在某些实施例中，(SiO2+Al2O3)/(MnO+Fe2O3T)的比率为约6:1至约7.2。在进一步的实施例中，(SiO2+Al2O3)/(MnO+Fe2O3T))的比率为约6.85。
铝、钙、镁、钾和钠的氧化物的质量可能不同。在某些实施例中，矿物纤维内的(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)的总和为总质量的至少50％。在某些实施例中，矿物纤维内的(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)的总和为总质量的约50％至约60％。在进一步的实施例中，矿物纤维内的(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)的总和为总质量的约50.60％。
在某些实施例中，矿物纤维可包括低含量的MnO。在某些实施例中，矿物纤维可包括表1中所描述的配方。
表1：示例性矿物纤维的组合物
矿物纤维可包括具有各种尺寸的纤维。在某些实施例中，矿物纤维包括长度超过20微米的纤维。在某些实施例中，矿物纤维包括直径小于3微米且长度大于20微米的纤维。
本发明公开的组合物可在体内模型中显示有益效果。例如，本发明的矿物纤维可包括长度超过20微米并且当沉积到动物肺中时表现出小于40天的半衰期的纤维。在某些实施例中，动物可以是老鼠。在某些实施例中，半衰期可为约33天。
本发明的组合物可任选地包括适合与含矿物纤维的组合物一起使用的附加组分。这些组分的适用性取决于组合物的最终应用。此类组件的实施例是本领域技术人员已知的。例如，对于天花板，其他组分可包括但不限于填充材料、粘合剂、粘着剂和/或添加剂。
在某些实施例中，本发明还包括制备本发明的任何组合物的方法。在某些实施例中，组合物可由矿渣制备。矿渣是一种形成为金属提取操作的残留物的非金属玻璃质材料。例如，钢、铁和锰金属的生产工艺是矿渣的三个来源。矿渣可从炼铁高炉、平炉炼钢炉以及铜、铅和贵金属冶炼厂中回收。矿渣通常被视为几乎没有效用的废物流，因此是一种价值相对较低的商品。典型矿渣的主要氧化物是CaO(20-50％重量)、SiO2(25-50％重量)、MgO(2-25％重量)、Al2O3(5-20％重量)和MnO(0.5-12％重量)。通常，矿渣中的MnO含量<1％。含量超过此值的矿渣被认为是高MnO矿渣。
矿渣已被证明可用于生产某些人造玻璃质矿物纤维，有时称为“矿棉”或更具体地说是“矿渣棉”。”这些术语在本申请中可互换使用，指的是产品的无光泽、羊毛状纤维外观。制造矿物纤维的方法是本领域已知的。参见，例如，2001年7月24日颁发的美国专利第6,265,335号，其全部内容通过引用并入本文。人造矿物纤维可以通过熔化合适的基于矿渣的组合物以形成“熔体”，然后用足够的能量吹或旋转熔化的材料以使其机械地转化为纤维来制造。形成熔体通常可以通过使用以下两个主要工艺中的一个工艺来实施：使用焦炭和氧气作为燃料源的冲天炉；或电炉。矿渣一旦熔化，玻璃流被输送到用于制造纤维的纺丝系统。这些纤维然后可以形成垫状结构，或保留为矿渣棉，具体取决于最终应用。这些纤维的化学成分可以通过选择和共混特定化学成分的矿渣和/或通过使用添加剂(诸如但不限于，砾石(如果希望提高SiO2含量)，石灰石(如果希望提高CaO含量)，或铝土矿(提高AI2O3含量)以改变氧化物的平衡以及通过熔炉操作。
作为一个非限制性实施例，矿物纤维可以通过将矿渣、砾石、铝土矿和焦炭装入传统的壳斗(cupula)来生产。该材料用氧气和热空气的组合加热到1450至1480℃之间的温度。材料在壳斗底部形成熔体，可通过侧开口排出。熔融材料通过重力输送到推车式纺丝设备上。当熔融材料流出壳斗时，壳斗中较高的材料向下移动，形成额外的熔融材料。该工艺可以是连续的。因此，随着壳斗中矿渣基材料的含量下降，可以将额外的矿渣、砾石、铝土矿和焦炭以所需的百分比添加到壳斗的顶部。该材料优选是相对小的拳头到拇指大小的块。更小的碎块堆积得太紧密并且阻碍均匀热分布所必需的过热空气和氧气穿过团块的运动。更大的碎块没有足够的总表面积来有效地将热量传递到材料团块中。虽然希望用这些材料的混合物填充壳斗，但它们也可以分层添加，因为熔化过程倾向于混合这些材料。在每种情况下，每1000千克可熔石可使用约140至170千克焦炭，并在冲天炉再装填时与其他材料一起添加。推车式纺纱设备包括一系列快速旋转的转子，当熔融材料离开转子的旋转表面时，这些转子向熔融材料提供足以使其形成纤维的离心机械能。这种纤维形成过程在本领域中是常规的。在四转子系统中，转子的转速可以在第一个转子的2900rpm到最后一个转子的6400rpm之间，并影响由此生产的纤维的直径。
在其他实施例中，本发明涉及形成可形成矿物纤维的冶炼副产物的方法，该方法包括将起始组合物如矿石或矿渣冶炼成冶炼副产物和金属。冶炼副产物可进一步加工成无机纤维。该方法可包括形成可形成矿物纤维的冶炼副产物，该方法包括：a)将硅锰渣引入包括收集区的矿热炉；b)将硅锰渣冶炼成硅锰金属和冶炼副产物，由此，由于硅锰金属和冶炼副产物之间的密度差，硅锰金属沉降到收集区的下部而冶炼副产物聚集在收集区的上部；c)从第一出口流出来自收集区的冶炼副产物；d)从第二出口流出来自收集区的硅锰金属。在进一步的实施例中，该方法还可以包括c-1)将冶炼副产物从第一出口流到纺丝设备；c-2)将冶炼副产物通过纺丝装置加工成矿物纤维。在可选实施例中，形成可形成无机纤维的冶炼副产物的方法，该方法包括：a)将硅锰渣引入矿热炉中，该矿热炉包括具有上部和下部的收集区，其中下部包括第一熔融硅锰金属；b)给第一熔融硅锰金属通电以通过电阻加热来加热硅锰渣，第一熔融硅锰金属具有第一电阻；c)利用步骤b)产生的热量冶炼硅锰渣以形成第二熔融硅锰金属和冶炼副产物，由此，由于第二熔融硅锰金属和冶炼副产物之间的密度差第二熔融硅锰金属沉降到收集区的下部而冶炼副产物聚集在收集区的上部；d)从第一出口流出来自收集区的冶炼副产物。在进一步的实施例中，形成可形成无机纤维的冶炼副产物的方法，该方法包括：a)将矿渣引入包括具有上部和下部的收集区的矿热炉中，由此下部包括第一熔融金属；b)向第一熔融金属通电以通过电阻加热来加热矿渣，第一熔融金属具有第一电阻；c)将矿渣冶炼成第二熔融金属和冶炼副产物，由此，由于第二熔融金属和冶炼副产物之间的密度差，第二熔融金属沉降到收集区的下部而冶炼副产物聚集在收集区的上部；d)从第一出口流出来自收集区的冶炼副产物；e)从第二出口流出来自收集区的第二熔融金属。
另一方面，本发明提供了一种镶板的制作方法。可以使用标准方法。例如，可以使用气流成网工艺，这是一种方法或制造工艺，其中各个成分悬浮在空气或其他气流中，并且优选地在多孔金属丝网或其他多孔载体表面材料上形成网、垫或棉絮。在一些实施例中，镶板可以通过直接铺设或本领域已知的用于制备镶板的其他方法来制备。在一些实施例中，镶板可通过传统的湿毡工艺形成，然后可选地打磨以具有在约二分之一英寸(12.7mm)至约1英寸(25.4mm)范围内的厚度。具体地，在一些实施例中，可以通过在常规混合和保持设备中将上述组分与提供浆料稠度所需的一定量的水混合在一起来制备镶板。在一些实施例中，可使用高剪切混合器将组分混合在一起。高混合速度可用于产生高剪切条件，通过分离单根纤维使非织造织物在很大程度上降解。在其他实施例中，高剪切混合通过将矿物纤维分解成较短的纤维(即使不存在或存在很少的结节)来降解矿物纤维，从而形成光滑的表面。
另一方面，本发明提供了一种使用本文所述组合物作为建筑材料的方法。在某些实施例中，矿物纤维是镶板的部分。换言之，镶板包括本发明的矿物纤维。该镶板可以是天花板。天花板镶板可以是天花板系统的部分。
本文所述组合物可用于工业应用。在一些实施例中，本发明应用于包括建筑镶板的建筑产品，建筑镶板包括例如可以并入诸如商业建筑和家庭住宅的结构中的天花板瓦片。在一些实施例中，组合物用于制造镶板。在某些实施例中，镶板是天花板。在某些实施例中，天花板镶板可以是天花板系统的部分。在某些实施例中，天花板可具有多层。在一些实施例中，这些层可以包括基底、面纱(veil)和涂层。在一些实施例中，这些层可以包括基底、粘合剂层、面纱和涂层。
参照图1，作为本发明的实施例的镶板100可以包括与第二主表面112相对的第一主表面111。镶板100还可以包括在第一主表面111和第二主表面112之间延伸的侧表面113，从而限定镶板100的周边。在某些实施例中，镶板100是建筑镶板。在某些实施例中，镶板100是天花板。
现在参考图1和2，镶板100可以具有从第一主表面111到第二主表面112测量的镶板厚度t0。镶板厚度t0可以在约12mm至约40mm的范围内，包括其间的所有值和子范围。镶板100可具有从约30cm到约310cm范围内的长度，包括其间的所有值和子范围。镶板100可具有从约10cm到约125cm范围内的宽度，包括其间的所有值和子范围。
镶板100可以包括主体120和主体侧表面123，主体120具有与下表面121相对的上表面122，主体侧表面123在上表面122和下表面121之间延伸，从而限定主体120的周边。主体120可具有从上表面122延伸到下表面121的主体厚度t1。主体厚度t1的范围可以从约12mm到约40mm，包括其间的所有值和子范围。
镶板100的第一主表面111可以包括主体120的下表面121。镶板100的第二主表面112可以包括主体120的上表面122。当镶板100的第一主表面111包括主体120的下表面121且镶板100的第二主表面112包括主体120的上表面122时，镶板厚度t0实质上等于主体厚度t1。
主体120可以是多孔的，从而允许气流通过上表面122和下表面121之间的主体120，如本文进一步讨论的。主体120可包括粘合剂和矿物纤维130。在一些实施例中，主体120还可以包括填料和/或添加剂。在某些实施例中，主体120可用疏水成分处理，从而使主体120防污。
参照图3，本发明的天花板系统1可包括安装到位于多个格栅开口8的一个内的天花板格栅5的至少一个镶板100。在某些实施例中，天花板系统1可包括安装到天花板格栅5的多个镶板100，多个镶板100的每个搁置在多个格栅开口8的一个内。在一些实施例中，除了镶板100之外的其他东西(例如，灯具或通风管道)可以在安装到位于格栅开口8的至少一个内的天花板格栅5(未示出)。
天花板格栅5可包括多个彼此平行延伸的第一构件6。在一些实施例中，天花板格栅5还可以包括多个相互平行延伸的第二构件7。多个第一构件6可以与多个第二构件7相交以形成具有多个格栅开口8的格栅图案。在一些实施例中，多个第一构件6与多个第二构件7以基本垂直的角度相交，从而形成矩形格栅开口8。矩形格栅开口8可以是正方形或任何其他美观或实用的形状。
参照图4，本发明还可以包括天花板系统1，该天花板系统1包括安装在内部空间中的一个或多个镶板100，由此内部空间包括全体空间3和有效室环境2。全体空间3为建筑物内的机械管线9(例如，HVAC、管道等)提供空间。有效空间2在建筑物的正常预期使用期间为建筑物居住者提供空间(例如，在办公楼中，有效空间将被包括计算机、电灯等的办公室占据)。
在安装状态下，镶板100可以通过一个或多个平行的支柱50支撑在内部空间中。每个支柱50可包括具有水平凸缘31和竖直腹板32的倒T形杆。天花板系统1还可以包括基本上彼此平行的多个第一支柱和基本上垂直于第一支柱的多个第二支柱(未示出)。在一些实施例中，多个第二支柱与多个第一支柱相交以形成相交的天花板支撑格栅5。全体空间30存在于天花板支撑格栅上方，以及有效室环境2存在于天花板支撑格栅5下方。在安装状态下，镶板100的第一主表面111面向有效室环境2并且建筑镶板100的第二主表面112面向全体空间30。
本发明的天花板系统1可包括天花板支撑格栅5和由天花板支撑格栅6支撑的至少一个镶板100，建筑镶板100具有与第二主表面112相对的第一主表面111，以及第二主表面111朝上，第一主表面111朝下。
参照图5，本发明的镶板100可包括与第二主表面112相对的第一主表面111。天花板100还可包括在第一主表面111和第二主表面112之间延伸的侧表面113，从而限定天花板100的周边。如图5所示，侧表面113可以采用多种形状中的任何一种。
镶板的可视表面可以包括固定到镶板的稀松布。可以使用任何稀松布。合适的稀松布包括但不限于由纤维素、聚丙烯、聚乙烯、玻璃、聚酯、聚酰胺及其混合物制成的稀松布。
在某些实施例中，镶板可以是诸如天花板或墙壁的建筑系统的部分。在特定实施例中，建筑镶板是将占用空间与全体空间分开的天花板系统的部分。占用空间是天花板系统下方的空间，例如办公空间等。全体空间是天花板系统上方的空间，其中可以容纳机械、电气和其他建筑系统和设备。在某些情况下，全体空间只是天花板系统上方和建筑空间上部结构下方的开放空间。图6示出了将建筑空间分隔为占用空间10和全体空间30的天花板系统1的实施例。全体空间30在天花板系统1上方和结构板60下方。天花板系统1具有多个天花板镶板100，在该实施例中，天花板镶板100是吸音天花板镶板。空气移动系统300在该实施例中被示为集成到一组四个天花板镶板100中。
本发明的组合物具有有益的生物安全特性。例如，当沉积到动物的肺中时，组合物的半衰期可小于40天。在一些实施例中，矿物纤维包括直径小于3微米且长度大于20微米且沉积到动物肺中时半衰期小于约40天的纤维。在一些实施例中，动物是老鼠。
本发明的组合物在高温下具有有益的收缩率。在一些实施例中，组合物在约750℃从约-0.1％收缩至约-0.9％。在其他实施例中，组合物在约750℃收缩不超过-0.1％。在进一步的实施例中，其中，组合物在约850℃从约-3.5％收缩至约-4.3％。在一些实施例中，组合物在约850℃收缩不超过约-3.5％。
实施例
本文描述的实例和其他实施例是示例性的，并不旨在限制描述本发明的组合物和方法的全部范围。可以在本发明的范围内对特定实施例、材料、组合物和方法进行等同的改变、修改和变化，具有基本相似的结果。
实施例1：制备由不同组合物制成的纤维，如表2所示。
表2：示例性矿物纤维的组合物，使用X射线荧光测量
实施例2：在老鼠中进行了灌注纤维的体内肺生物持久性测试。根据1999年出版的欧洲委员会科学和知识服务机构出版的《科学和技术研究报告》(EUR18748EN)的协议，执行这些方法，该协议全文通过引用并入本文。该分析评估作为纤维长度的函数的纤维的肺生物持久性。简而言之，连续4天每天一次通过气管内滴注将老鼠暴露于纤维。在安装期之后，以预先确定的时间间隔检查动物以确定肺负荷。然后确定去除50％长于20μm的纤维的时间，或纤维的体内半衰期。
表3：生物持久性分析结果
| 样品 | 半衰期(天) |
| 组合物 1 | 49 |
| 组合物 2 | 33 |
| 组合物3 | 21 |
表3显示了老鼠肺中纤维的测定半衰期。令人惊讶和出乎意料的是，与组合物1相比，组合物2表现出更短的半衰期。值得注意的是，欧盟法规要求此类纤维的半衰期为40天或更短。因此，组合物2和3满足欧盟的法规要求。
实施例3：如表4所示制备由各种原料来源的组合物组成的纤维。分子组分以总的重量百分比表示。测试了表4中的组合物的物理特性和防火性能，结果记录在表5中。
表4：示例性矿物纤维的成分。
表5：示例性矿物纤维的性能。
表5示出了某些组成属性和具有这些属性的矿物纤维的性能。收缩率的负值意味着在那些条件下发生的收缩。例如，-3.9值对应于3.9％的收缩率。
如表5所示，与使用标准钢和高炉矿渣制成的低MnO含量的丝(wool)以及基于玄武岩或岩石的丝相比，高MnO含量的丝在高温下的收缩率更低。低收缩率又与良好的防火性能相关。高氧化铁含量通常与提供卓越的防火性能有关；然而，这些数据表明，高氧化铁含量本身并不能在高温下提供优异的抗收缩性。
表5进一步表明，令人惊讶和出乎意料的是，纤维直径在纤维收缩中没有发挥重要作用。从理论上讲，随着纤维直径的增加，期望收缩率会降低，因为直接暴露在热量下的表面积会减少。表5进一步表明，令人惊讶和出乎意料的是，具有较低的传导性与较小的收缩率无关。从理论上讲，会期望丝具有较低的热导率，从而提供更好的绝缘特性，从而在给定温度下显示出更小的收缩率。
在发生火灾的情况下，丝抵抗收缩趋势的能力可以使最终制成品(天花板瓷砖、墙壁或管道绝缘等)在较长时间内保持完好无损，从而提供连续的绝缘表面保护建筑结构或基础设施免受温度升高的影响。反过来，这可以为建筑物的清理提供额外的时间，并为消防员在结构损坏开始之前控制火势提供更多时间。
虽然已经参考若干实施例描述了本发明，为了完整地公开本发明的目的，已经相当详细地阐述了这些实施例，但是这样的实施例仅仅是示例性的，并不意在限制或表示本发明的所有方面的详尽列举。本发明的范围由所附权利要求确定。此外，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的精神和原理的情况下可以对这些细节进行多种改变。
Claims (30)
1.一种包括矿物纤维的组合物，其中：
所述矿物纤维包括：
氧化锰；
氧化铝；以及
其中，所述氧化锰的量为基于所述矿物纤维的总重量的约7％至约10％。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述氧化铝的量大于基于所述矿物纤维的总重量的约17％。
3.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述氧化铝的量为基于所述矿物纤维的总重量的17.5％至21.0％之间。
4.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括基于所述矿物纤维的总重量的35.0％至41.0％之间的SiO2。
5.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括基于所述矿物纤维的总重量的0.20％至2.00％之间的Fe2O3T。
6.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括基于所述矿物纤维的总重量的5％至9％之间的的MgO。
7.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括基于所述矿物纤维的总重量的18％至25％之间的CaO。
8.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括基于所述矿物纤维的总重量1.0％至2.0％之间的K2O。
9.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维约40wt.％的SiO2和约18.9wt.％的Al2O3。
10.根据权利要求9所述的组合物，其中所述矿物纤维还包括约8.65wt.％的MgO。
11.根据权利要求9或10所述的组合物，其中所述矿物纤维还包括约0.49wt.％的Fe2O3T。
12.根据权利要求10或11所述的组合物，其中所述矿物纤维包括约21wt.％的CaO。
13.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维内的(SiO2+Al2O3)/MnO的比率在7与8之间。
14.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维内的(SiO2+Al2O3)/(MnO+Fe2O3T)的比率在6至8之间。
15.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维内的(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)之和至少为50。
16.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维内的(SiO2+MnO)/(Al2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)的比率小于1。
17.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括直径小于3微米且长度大于20微米的纤维。
18.根据前述权利要求任一项所述的组合物，其中所述矿物纤维包括的纤维直径小于3微米且长度大于20微米，沉积到动物的肺中时半衰期小于40天。
19.根据权利要求18所述的组合物，其中所述动物是老鼠。
20.一种镶板，包括前述权利要求任一项所述的组合物。
21.根据权利要求20所述的镶板，其中所述镶板是天花板。
22.一种天花板系统，包括权利要求20或21所述的镶板。
23.根据权利要求22所述的天花板系统，其中所述系统还包括全体空间。
24.一种用于制造根据权利要求1-19任一项所述的组合物的方法。
25.根据权利要求1-19任一项所述的组合物作为建筑材料的用途。
26.一种用于制造根据权利要求20或21所述的镶板的方法。
27.根据权利要求1-16任一项所述的组合物，其中所述组合物在约750℃从约-0.1％收缩至约-0.9％。
28.根据权利要求1-16任一项所述的组合物，其中所述组合物在约750℃收缩不超过-0.1％。
29.根据权利要求1-16任一项所述的组合物，其中所述组合物在约850℃从约-3.5％收缩至约-4.3％。
30.根据权利要求1-16任一项所述的组合物，其中所述组合物在约850℃收缩不超过约-3.5％。
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