DE1771117A1

DE1771117A1 - Glaszusammensetzung und daraus bestehende Glasfasern fuer textiltechnische Zwecke

Info

Publication number: DE1771117A1
Application number: DE19681771117
Authority: DE
Inventors: Tiede Ralph Lester; Tooley Fay Vanisle
Original assignee: Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1967-04-05
Filing date: 1968-04-04
Publication date: 1972-01-05
Also published as: AT282096B; BE713224A; GB1209244A; ES352381A1; CS157632B2; LU55835A1; NL6804775A; FR1589410A; CH494709A

Description

-■■Sas

Pottnionwäfte
DIpf.-lng. A. GrOnecker
Dr.-lng. H. Kinkeldey "—

Dr.-lng. W. Stockma/r _

München 22, Maxim/lianstr. 43 I / / I I I /

P 1918

OWENS-COBNXNG FIBERGLAS COBPOBATION 6ΟΘ Madison Avenue, TOLEDO (Ohio 43601) U.S.A.

Glaszuflamaersätzung und daraus bestehende Glasfasern für textiltechnißche Zwecke

I):;.· Erfindung betrifft Siliciumdioxyd und Aluainiumoxjd enthaltende Glassusammensetzungen und daraus bestehende Glasfasern für textiltechnische Zwecke.

Derartige Glaszusammensetzungen sind in den USA-Patentschriften 2 334 691 und 2 571 0?4 beschrieben. AuSer bei Sonderglasern hat aan erst vor kurzer Zelt begonnen, den Zusammensetsungsbereich von Glas zu ändern. Diese Veränderungen sind vor allem bei der Behandlung von Fasern vorgenommen worden. Hier sind eine Anzahl von Schlichten und Appreturen zur Verbesserung von Textilprodukten, insbesondere von Flächengebilden, z.B. für industrielle und dekorative Zwecke entwickelt worden. Dabei wurde eine Anzahl von neuen Anwendungsgebieten für Glasfasern erschlossen. Entwicklungsarbeit

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BAD ORfGfMAL

wurde auch auf dem Gebiet der Konstruktion von Schmelzofen, Düsen, Rippenkühlern und anderen Einrichtungen sur Beeinflussung der Atmosphäre in der Aueziehzone geleistet, doch aind weitere Verbesserungen erforderlich.

Einer der kritischen Paktoren, die bei der technischen

Herstellung von Glasfasern berücksichtigt werden müssen, ist die Liquidus- Viskositate-BeZiehung. Für die Herstellung von kontinuierlichen Glasfasern (Textil) gelten schärfere Bedingungen als für die Herstellung von Stapelfasern (Glaswolle)·

Derzeit Verlangt- man eine hohe Hitzefestigkalt ■» Zug«· festigkeit, Abriebsfestigkeit und chemische Beständigkeit. Insbesondere soll die Säurebeständlgkeit höher sein als bei den bisher zur Verfügung stehenden Textilfaser^ Infolge des ständ'.g wachsenden Bedürfnisses nach feineren fasern ist eine genauere Beherrschung des Auazlehvorganges sowie der Ψ Viskosität und der Homogenität des Glases erforderlich·

Glas wird vorzugsweise aus billigen, natürlich vorkommenden Materialien hergestellt, bei deren Einschmelzen die Luft verunreinigende« flüchtige Stoffe nur in relativ kleinen M c: η gen anfallen. Cie industrielle Erzeugung von großen Glasnengen hat zu Befürchtungen hinsichtlich der Luftverunreirdgung geführt, zu deren Verhinderung daher entsprechende Gesetze erlassen worden sind. Es 1st sogar behauptet worden, daß die Fluoride und das B₂O, in den Abgasen von Glasfabriken

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die Vegetation in der Nähe der Fabriken beeinträchtigen können.

Sie Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung von Glasfasern, die technisch hergestellt werden können, eich durch eine hohe Festigkeit und einen hohen Elastizität »modul auszeichnen und für alle textiltechnieehen Zwecke geeignet sind«

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung von Glaszusammensetzungen, die den strengen Forderungen genügen, die bei der technischen Herstellung von Glasseide hinsichtlich der Liquldus-Viskosit&ts-Besiehung su beachten sind»

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung der Beatätigkeit der Fasern, insbesondere gegenüber einem Säureangriff*

Eine Aufgabe der Erfindung besteht ferner in der Schaffung von verbesserten Glaszusammensetzungen, die frei sind von Boraten, Fluoriden und ähnlichen flüchtigen und/ oder kondensierbaren Substanzen«

Die Erfindung hat außerdem die Aufgabe der Schaffung von Glaszusammensetzungen, die eine höhrere Festigkeit und einer höheren Elastizitätsmodul haben als die bisher bekannten Glaszusammensetzungen für die technische Herstellung von Glasseide»

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Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Glaszusammen*etsung, die aus einer einfachen Kombination von natürlich vorkommenden Mineralien besteht und keine seltenen oder teuren Bestandteile enthält.

Zur Lösung dieser Aufgaben schafft die Erfindung eine Glaszusammensetzung, die 60-68 Gewichtsprozent 8ilieiumdioxyd, 5-32 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd, Rest Caloiumoxyd und/oder Magnesiumoxyd und zufällige Verunreinigungen, enthält« wobei die Gesamtmenge das Siliciumdioxyds und des Aluminiumoxyds 70-86 Gewichteprosent beträgt. Dabei muß die Zusammensetzung mindestens einen der Bestandteile Calciumoxid und Magnesiumoxid enthalten und die Gesamtmenge an Caloiumoxyd und/oder Magnesiumoxid mindestens Vi- Gewichtsprozent betragen.

Biese Zusammensetzungen sind bis auf zufällig vorhandene Spuren frei von alkalischen Bestandteilen, B₂O, und Fluoriden* Sie können ohne weiteres mit Hilfe von technischen Verfahren au Glasseide vorarbeitet werden.

Es ist bekannt, daß Fasern aus Siliciumdioxyd eine hohe Hitzebeständigkeit haben, dooh können sie schwer zu Fasern verarbeitet werden. Durch die Vereinigung von Siliciumdioxid» AlumlKJhunäioxyd sowie von Calciumoxid und/oder Magnesiumo^d in den angegebenen Teilen erhält man

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Zusammensetzungen, die ein gewünschtes Viskositäts-TemperaturveThalten und eine für die Herstellung von Glasseid· günstige Entglasungsgeschwindigkeit besitzen.

Beispiel 1	SiO₂	60	Gewichtsteile
	Al₂O₃	20	It
	CaO	12	H
	MgO	8	η

Liquidustemperatur 1319°C

Diese "Glaszusammensetzung wurde aus einer Charge •ingeschmolzen und zu fasern verarbeitet, indem das Glas durch zahlreiche Offnungen in einer Spinndüse (filiere) geführt wurde, die auf einer Temperatur von etwa 145O⁰C gehalten wurde. Mit einer Spinndüse mit etwa 800 Düeenöffnungen er-■ hielt man auf diese Weise Fasern von einem Durchmesser von

der Größenordnung 20 /i. Die Zugfestigkeit der frischen Fasern fibres vlerges) beträgt durchschnittlich 422 kg/mm und der

* 2

Elastizitätsmodul etwa 8680 kg/mm . Der Elastizitätsmodul

wurde durch Messung der Dehnung der belasteten Fasern bestimmt«

Beispiel 2

SiO₂	J	10	60	Gewichtsteil·
Al₂O₃		BAD	15	N
CaO		20	N
MgO	5	η
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	OBiGfNAL	*

Aus der vorstehenden Zusammenaetsung wurden Vaeern hergestellt, indem ein Strom dee schmelsflüsalgsn Glases durch eine Spinndüse geführt wurde, die auf einer Temperatur von 135O⁰C gehalten wurde· Dieses Glas hat eine Liquidus« temperatur von 1232⁰O.

Beispiel 3 SiO₂ 55 Qewiohtsteile

Al₂O₃ 15 "

CaO 25 "

MgO 5 "

Aus der obigen Zusastaensetzung wurden Fasern hergestellt» indem eine Schmelze durch eine Spinndüse geführt wurde, die auf einer Temperatur von 1343⁰C gehalten wurde* Dieses Glas hatte eine Liquidustemperatur von 1240°C.

Beispiel 4	SiO₂	65 Gewichteteile
A1₂°3	15 "
OaO	10 "
MgO	10 "

Dieses Glas hatte eine Liquidusteaperatur von und wurde su Fasern verarbeitet, indem sohmelsflüssiges Glas durch eine Spinndüse geführt wurde, die auf einer Temperatur von 1438⁰O gehalten wurde-»·

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81O₂ 50 Gewichteteil·

AX₂S₃ 30 "

OaO 10 ·

MgO 10 "

SI« Liquidustemperatur betrügt 138O⁰C. Zur Herstellung ▼on Glasfasern wurde «la· Schemel** durch eine Spinndüse geführt und wurden die au» dieser Düse auetretenden String· au· •ohmelsflüssigem Glas zu Glasseide ausgezogen. Beispiel 6

60 Gewichtstell· ₂₅ 25 -

CaO 10 ^M

MgO 5 *

Dl··· Zusammensetzung hat eine Llquldueteaperatur τοη 1360°C. Zur Herstellung von Glasfasern wurde echaelzflüeeigee Glas duroh eine Spinndüse geführt, die auf einer Temperatur von 1438⁰C gehalten wurde. Die Glasstrange wurden auf ein·» Spulenkopf aufgewickelt und dadurch zu Glasseid· ausgezogen. Beispiel 7

SiO₂ 55 Gewelchtsteil·

Al₂O₅ 20 ■

CaO 5 *

MgO 20 "

Dieses Glas hat eine Liquidus temperatur von 1344⁰C* Zur Herstellung τοη Fasern wurde die Glasschmelze duroh eine Spinndüse geführt und wurden die aus der Spinndüse austretenden Strange aus sohmelsflüssigem Glas zu Glasseide ausgezogen.

Beispiel 8 SiO₂ 55 Gewichteteil·

Al₂O₅ 30 "

CaO 5 "

10 ^M

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In der vorstehend angegebenen Welse wurde Glasseide hergestellt.

Beispiel 9 SiO₂ 55 Gewiohtsteile

0_ 20 ⁿ ·

CaO 20 "

M₆O 5 "

Dieses Glas hat eine Liquiduetemperatur von flach einem übllohen Verfahren wurde es zu Fasern verarbeitet.

Beispiel 10 SlO₂ 65 Gewichteteile

0_ 10 "

CaO 20 ·

MgO 5 "

Diese Glaszusammensetzung hat eine Liquiduetemperatur von 134O⁰C Aus einer Spinndüse austretende Stränge au« schmelzfluss igen Glas wurden eu Glasfasern auegesogen.

Die Glasfasern wurden aus Glaszusammensetzungen hergestellt, die im wesentlichen frei waren von alkalischen Bestand» teilen, Fluoriden,Böroayden und ähnlichen flüchtigen und/oder kondensierbaren Bestandteilen. Derartige Verunreinigungen können in Spuren in der Größenordnung von Bruchteilen eines Prosente

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vorhanden sein. Sie werden nicht absichtlich zugesetzt, können aber mit modernen Analysenverfahren festgestellt werden.

Zur Verarbeitung der vorstehend angegebenen Zusammensetzungen zu Fasern werden übliche Verfahren angewendet· Ein aus den Bestandteilen bestehendes Gemenge wird ohargenweise im Ofen geschmolzen und die Schmelze in Form von mehreren Strängen durch eine Spinndüse geführt, worauf die Stränge m su Glasfasern ausgesogen werden. Mit einer einzigen Düse kann man zweihundert, achthundert oder bis zu tausend Eineelfasern herstellen. Diese Einzelfäden werden zu einem Spinnfaden vereinigt, der auf'einem Spulenkopf aufgewickelt wird, wie er in der USA-Patentschrift 2 391 8?0 gezeigt ist. Zum Bilden von Spinnfäden aus den Einzelfäden und zum Vereinigen der Spinnfäden zu Garnen werden übliche Zwirn- und Fachverfahren angewendet· Die nach Beispiel 1 erhaltenen Glasfasern wurden umfangreichen Prüfungen unterworfen. Sie sind üblicher Glasseide ("E^-Glas) überlegen, wie aus der nachstehenden Tabelle hervorgeht.

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• ίο -

Tabelle I übliches Beispiel Verbesserung

"^ Pias 1 %

Zugfestigkeit, kg/am² 373 *22 13 Elaetiaitäte*odul,kg/mm² 7400 8700 18

Chemische Beständigkeit
der Glasseide
(Gewichtsverlust· in
7 Tagen bei 90* 0) in

Wasser	1,1	0,44	60
H₂SO₄ (50%)	8,9	0,54	94
Stab-Biegefestigkeit kg/am²
trocken	123,6	127,8	3,4
naß	94,8	109,7	11,7

Bleibender Prosentsats

der Biegefestigkeit

(% Betention) 76,7 82,8 8,0

Zur Bestimmung der chemischen Beständigkeit wurden Glasfasern aus Ε-Glas und Glasfasern nach Beispiel 1 7 Ώ*6· 1*°6 in Wasser bsw. 50-prozentige H_SO. bei 90° 0 eingetaucht und ^w wurde der Gewichtsverlust gemessen. Babel wurde eine Verbesserung Ton 60 % bsw. 94 % gegenüber E-Glaa festgestellt. Die Stab-Biegefestigkeit wurde durch. Prüfen von Prüfstäben aus mit Glaeseidensträneen verstärkten Polyesteretaben bestimmt. Öle bei der Herstellung dieser Stäbe verwendete Glasseide wurde mit einer Schlichte behandelt, die in eine« wässerigen System Polyvinylacetat, Vinyltricolor«ilan und Gleitmittel enthält·

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Glaaseidenatrange aus Ε-Glas und aus Glasseide nach Bei· spiel 1 wurden su Stäben verarbeitet, nachdem sie bei Herstellung mit der vorstehend angegebenen Bohliohte behandelt worden waren. Die Blegefeetigkeitswerte sind In der Tabelle I miteinander verglichen. Sie Zugfestigkeit wird um 13 %_% der Elastizitätsmodul um 18 % und der naoh vierstündigem Eintauchen In siedendem destillierten Wasser verbleibende Anteil der Stab-Biegefestigkeit um 11,7 % verbessert· ^

Infolge dieser Verbesserung der physikalischen Eigenschaften seigt die Glasseide bei ihrer Verwendung sur Ver-Stärkung von Kunststoffen und für andere Zwecke ein besseres Verhalten. Sie kann für die verschiedenartigsten Zweck« verwendet werden. Beispielswelse kcJnnsa lie Glasfasern sur Herstellung von Staubfiltern &um Abtrennen von Feststoffen aus den Abgasen von öfen oder anderen industriellen Einrichtungen verwendet werden. Öle Glasseide 1st für diese Staubfilter gut geeignet« weil sie eine hohe HitBebeständigkeit und chemische , Beständigkeit hat. Infolge Ihres hohen Elastizitätsmoduls, ihrer hohen Zugfestigkeit und ihrer hohen Hitzebeständigkeit eignet sich die Glasseide besonders sum Verstärken von Harzen, Gummi odi anderen Werkstoffen für die Luft- und Raumfahrttechnik. Dank ihrer hohen Beständigkeit gegenüber Säuren und Wasser ist die Glasseide auch sehr gut für Lagerbehälter und Leitungsrohre geeignet. Durch Mischung der Glasseide mit anderen

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Glasfasern oder alt verschiedenen Fasern aus Polyamid, Pollster oder anderen Harren kann man Produkt· slt neuartigen UQd ungewöhnlichen Eigenschaften herstellen. Aue ,_; der erfindungsgeafteen Glasseide können u*e. folgende Produkte hergestellt werden* Rovinge aus verzwimten Einsel-

·.'■■■ ι

fasern, Hovings aus geepriteter Glasseide (filament winding j

roving, gun roving), ßtapelglaseeide, Matten, Oerne für dl·

Luft- und Rauafahrtteohnik und für Dekorations«wecke, Garn tür Papierveretärkungt Überzogenes Garn, Zugglieder, Garn

■ . -ι

für elektrische Zwecke, und Rovings zur Plattenverstärkung. ^:

Dl· erfindungsgeÄäßen Gläser «eiohnen sieh dadurch aus« daß sie su Fasern verarbeitet werden können, obwohl sie in der Vähe des Zusamiensetsungeberelohs von Gläaero liegen, deren Tiskoeitäts-Teaperatur-Verhalten für die Herstellung von Glasseide ungünstig ist. Die erflndungsgesüfien GlasBusejmensetsungen sind eigentümlich, weil sie su Fasern verarbeitet ^: werden können, obwohl sieh andere ZusamaeneetBungen aus ,

Sillelumdiozyd, Aluainiumojtyd, Oalclumoxyd und HagneeiuaoXTd nicht sur technischen Herstellung von Glasseide für tertilteohnisohe Zwecke eignen. Die Zusammensetzung nach Beispiel 1 kann aus feingemahlenem Quarz (potter's flint), Ton und Dolomit hergestellt werden, wahrend das teure EgO nicht erforderlich ist* Aus diesem Grunde sind die Gläser wirtschaftlich, führen jedoch su besseren Eigenschaften, die mit den

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biaher für die Herstellung von Glasseide verwendeten Glas~ zusaaunensetsungen nicht ax'sieibar waren.

Aiui diesen Glaofascrn hergestellte üpinnf ädeii, Garn· oder Plächangebilde könne? bei näheren Temperaturen gewaschen werden ale Flächengebilde au<3 ''£"-Glai3. Die kritische Temperatur-(alujup temperature) dieser Fasern liegt um 110° G höher alfi die von Fasern auc E-Glaa. Beim Aufbäumen dieser Fasern -/or dem Wöben ödor icr Herstellung eines verstärkten Papiers fallen weniger Flaum- and Plugfasern an» Die Zusaaaensetüungec. eignen sich besonders für die Herateilung von kontinuierlicUen Fasern, können aber auch für die Herstellung von Stapelfapern für teirfciltechnische Zwecke verwendet

Ein kontinuierlicher Gleseeiden-Spinnfaden besteht je nach den Anforderungen aus zahlreichen Einzelfäden, z.B. aus 51-408 Einzelfäden. Diese Einzelfäden werden mit einer Geschwindigkeit von über 32ΟΟκΐ/α1η aus des Ofen gesogen· Die Einzelfäden eines Spinnfadens liegen allgemein parallel zueinander und nahe beieinander. Olaeseiden-Spinnfäden kSnnen nach üblichen Zwirn-, Fach- und Verseilverfahren zu Garnen und Schnüren verarbeitet werden. Gezwirnte Einzelstränge sind ola ungefachte Garne ("singles¹¹ yarn) bekannt. Zwei oder mehr Spinnfäden können zu einest Garn gefacht werden.

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Die Garne werden in üblicher Weise mit jeder gewünschten Bindung duroh Weben zu ?l&chengebllden bsw. Bändern verarbeitet t Sie meisten Olaeseidengarne werden mit einer geeigneten Schlichte versehen. Beispielsweise wird auf die Einseifäden eine 2 % Stärke enthaltende ölsehliohte aufgetragen, um die Manipulation und Verarbeitung zu verbessern· Für bestimmte Zwecke kann man auch andere Schlichte verwenden.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind Abänderungen möglich,.

Sämtliche aus der Beschreibung und den Ansprüchen su entnehmenden Merkmale und Verfahrensschritte können auch in beliebigen Kombinationen erfindungewesentlioh sein.

- Patentansprüche -

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Claims

Pat int aniprüflhi

1. Olaagueasaenaatsiine und daraus bestehende Glasfasern für textiltechnisch· Zvecke, alt einem Gehalt an Siliciu»- dioxyd und Alualnlusosyd, daduroh g e k e η η »•lohnet , daß dl· Glaseusaitaenaetaung 60-68 Ga-' wichte ρ ro te "it Silioiuedior/d, 5-52 Gewichtsprozent AlualnluH-oxyd, Raet Caloiumoxyd und/oder llagneaiuaoxyd und zufällige Yerunrelnlgungen enthält und die Gesaatmcnge dee SiIiciumdioxyda und dea Aluainiuaoxyda 70-66 GewLchteprozent beträgt*

2. Glaaeusammenßätzung nach Anspruch 1, dadurch g β kannzeiohnei _f daß file 60 Gewichtsprozent ßlllciuadloxyd und 20 Gewichtsprozent Al₂O₇₁ Rest aue Dolomit erhaltene Erdalkalioxyde enthält·

5* Glaeaueajameneetsung nach Anapruoh 1, dadurch gekennte lehnet _t daß ale 60 %6iliciuadioxyd, 20 % Al₃O _f 12 % CaO «ad β % MgO enthält.

4, GlaezuatMenetteung nach Anaprueh 1, dadurch gekennzeichnet , daß aie 60 % SiXiciuadioxyd, 15 % Al₂O₅, 20 % CaO und 5 % %0 enthält.

5* Glaezuaaeeenaettung nach Anspruch 1, dadurch gtkenns eich "net _t da£ «tie 55 % eillcluedloxyd, 15 % Aluminiumoxid» 25 % üaleiuaosyd und 5 % Hagneelveoxyd enthält.

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6. Qlaazusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie 65 % Siliciundioxyd, 15 % Aluminiumoxyd, 10 % Calciuiroxyd und 10 % Magnesiumoxid enthält.

7· Glaszusammensetzung nach Anspruch I₁ daduroh gekennzeichnet , daß sie 50 % Siliciumdioxid, 50 % Aluminiumoxyd, 10 % Calciumosyd und 10 % Magnesiumoxid enthält.

8. GlasZusammensetzung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet , daß sie 60 % Siliciumdioxyd, 25 % Aluminiumoxyd, 10 % Calciumoxyd und 5 % Magnesiumoxyd enthält.

9« Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , da/? sie 55 % Siliciumdioxyd, 20 % Aluminiumoxyd, 5 % Calciumoxyd und 20 % Magneaiumoxyd enthält.

10. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet , daß sie 55 % Siliciumdioxyd, 30 % Aluminiumoxyd, 5 % Calciumoxyd und 10 % Magnesiumoxyd enthält.

11. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet , daß sie 55 % Siliolumdioxyd, 20 % Aluminiumoxyd, 20 % Caloiumoxyd und 5 % Magnesiumoxyd

enthält. 109882/0519

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12. Glae»uaammensetzur^ na h Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet , daß sie 65 % Siliciumdioxyd, 10 % Alumirdumoxyd, 20 % Calciiunoxyd μγΛ 5 % Magnesiumoxid enthält.

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