DE19724874A1

DE19724874A1 - Glaszusammensetzung und Verfahren zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Glasfasern

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Publication number: DE19724874A1
Application number: DE19724874A
Authority: DE
Original assignee: RICHTER ROBIN DR
Current assignee: RICHTER ROBIN DR
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1998-11-19
Also published as: DE59800207D1; KR100500393B1; KR20010012295A; RU2209190C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Glaszusammensetzung für spinn fähiges Glas zur Herstellung von nach mineralsaurer Extrak tion hochtemperaturbeständigen Glasfasern, wobei die Glas zusammensetzung Siliciumdioxid als Hauptkomponente aufweist sowie fernerhin Aluminiumoxid und Alkalioxid als Komponen ten enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von bei Temperaturen zwischen 750 und 1100°C beständigen Glasfasern. - Glasfasern meint im Rahmen der Erfindung auch Glasfäden sowie insbesondere Strangfasern, Stapelfasern und Endlosfasern (Filamente). Diese Glasfasern werden regelmäßig aus einem spinnfähigen Glas, das in Form von Pellets, Kugeln oder Glasstäben ein gesetzt wird, mit üblichen Spinnverfahren hergestellt. Da bei wird mit in der Glasfaser- bzw. Glasseidenherstellung gebräuchlichen Spinnvorrichtungen gearbeitet. Die auf diese Weise hergestellten Glasfasern bzw. Glasfäden können zu Glasfasergarnen oder -zwirnen, flächenförmigen Folgeprodukten, wie beispielsweise Geweben und Bändern, aber auch zu Vliesen, Schnüren und Packungen weiter verarbeitet werden. Regelmäßig ist es wünschenswert, bei hohen Temperaturen beständige bzw. hitzefeste Glasfasern herzustellen, die nichtsdestoweniger eine ausreichend hohe Festigkeit aufweisen. - Es ist bekannt, Glasfasern, die aus der eingangs genannten Glaszusammensetzung hergestellt sind, nach dem Spinnverfahren einer mineralsauren Extrak tion zu unterziehen. Dabei werden die Glasfasern mit einer Mineralsäure behandelt, wobei die dem Glas zur Schmelzpunkterniedrigung zugesetzten Bestandteile, insbe sondere Alkalioxide, zumindest teilweise extrahiert werden.

Hierdurch wird die Temperaturbeständigkeit der Glasfasern beachtlich erhöht, so daß sie für den Einsatz im Temperaturbereich von 750 bis 1100°C geeignet sind.

Bei der bekannten Glaszusammensetzung der eingangs genann ten Art, von der die Erfindung ausgeht (DE-PS 36 03 909), handelt es sich bevorzugt um sogenanntes E-Glas, das einen Siliciumdioxid-Anteil von weniger als 65 Gewichts-% und mehr als 8 Gewichts-% aufweist. Darüber hinaus vorge schlagenes C-Glas ist, insbesondere aufgrund des ebenfalls beachtlichen Calciumoxid-Gehaltes von mehr als 8 Gewichts-% chemisch resistenter und daher gegenüber dem Angriff von Mineralsäuren wesentlich beständiger. Zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit werden die aus der E-Glaszusammen setzung hergestellten Glasfasern zunächst einer mine ralsauren Extraktion ausgesetzt. Um eine ausreichende Festigkeit und eine funktionssichere Weiterverarbeitung der Glasfasern zu gewährleisten, müssen die extrahierten Glasfasern nachträglich mit einem feuchtigkeitsdichten, dünnen, elastischen Überzug in Form eines Kunststoffilmes versehen werden. Insoweit wird mit der bekannten Glas zusammensetzung eine sehr aufwendige Nachbehandlung der Glasfasern erforderlich. - Ähnliches gilt auch für eine weitere bekannte Glaszusammensetzung bzw. ein weiteres be kanntes Verfahren (DE-OS 37 25 506). Um die Elastizität und Verarbeitbarkeit der aus dieser Glaszusammensetzung herge stellten Glasfasern sicherzustellen, werden die Glasfasern nach Säureextraktion mit einer anionischen Ladung versehen und dann wird auf diese Fasern ein kationisches Kieselsol aufgezogen. Anschließend werden die Glasfasern mit einer Appretur versehen. Auch diese Maßnahmen sind sehr aufwendig und infolgedessen kostspielig.

Zum Stand der Technik gehören fernerhin Glaszusammen setzungen für alkalibeständige Gläser, die Siliciumdioxid-Ge halte bis zu 75 Gewichts-% aufweisen (DE-OS 31 07 600). Diese für alkalibeständige Gläser bestimmte Glaszusammensetzung liefert jedoch nach mineralsaurer Extraktion keine hochtemperaturbeständigen Glasfasern bzw. Glasfaserfolgeprodukte.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Glaszusammensetzung der eingangs genannten Art anzugeben, aus der auf wenig aufwendige Weise Glasfasern herstellbar sind, die eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit (750 bis 1100°C) aufweisen und nichtsdestoweniger allen Anforderungen an die Festigkeit und Verarbeitbarkeit genügen. Der Erfindung liegt weiterhin das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Glasfasern anzugeben.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung zunächst eine Glaszusammensetzung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Glaszusammen setzung
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO₂),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na₂O) und/oder Kaliumoxid (K₂O),
und 0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al₂O₃)
aufweist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Glas zusammensetzung nach Patentanspruch 2. - Vorzugsweise wird als Alkalioxid lediglich Natriumoxid, nämlich 15 bis 30 Gewichtsteile, bevorzugt 15 bis 25 Gewichtsteile, Natri umoxid, eingesetzt. Zweckmäßigerweise sind in der erfin dungsgemäßen Glaszusammensetzung 2 bis 4 Gewichtsteile, vorzugsweise 3 Gewichtsteile, Aluminumoxid vorgesehen. Die Glaszusammensetzung kann fernerhin geringe Mengen an Calciumoxid (CaO), Eisen(III)-Oxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Magnesiumoxid (MgO) und Boroxid (B₂O₃), insbesondere als Verunreinigungen, aufweisen. Es versteht sich, daß fernerhin Spuren weiterer Komponenten in der Glas zusammensetzung vorhanden sein können.

Zur Lösung des technischen Problems lehrt die Erfindung weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperatur beständigen Glasfasern, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß aus einem spinnfähigen Glas einer Glaszusammensetzung mit 65 bis 75 Gewichtsteilen Siliciumdioxid, 15 bis 30 Ge wichtsteilen Natriumoxid und/oder Kaliumoxid und 0,1 bis 5 Gewichtsteilen Aluminiumoxid in einer Spinnvorrichtung Glasfasern erzeugt werden und anschließend diese Glasfasern mit zumindest einer Mineralsäure extrahiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patentanspruch 5 angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung Glasfasern herstell bar sind, die bis zu sehr hohen Temperaturen (750 bis 1100°C) beständig sind und nichtsdestoweniger eine hohe Festigkeit aufweisen sowie eine einfache und funktionssichere Weiterverarbeitung gewährleisten, ohne daß aufwendige Nachbehandlungsmaßnahmen, beispielsweise Beschichtungsmaßnahmen, für die Glasfasern erforderlich werden. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, daß im Rahmen der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung der beanspruchte hohe Siliciumdioxid-Ge halt eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe chemische Resistenz der hergestellten Glasfasern bedingt, wobei nichtsdestoweniger eine problemlose Verspinnbarkeit des spinnfähigen Glases gewährleistet bleibt. Zu einer optimalen Verspinnbarkeit des spinnfähigen Glases trägt insbesondere der erfindungsgemäß beanspruchte Anteil an Aluminiumoxid bei, über den die Spinnviskosität der Glas schmelze optimal eingestellt werden kann. Mit der bean spruchten Glaszusammensetzung können Glasfasern hergestellt werden, die nach der mineralsauren Extraktion eine über raschend hohe Temperaturbeständigkeit zumindest bis zu Tem peraturen von 1050°C aufweisen. Die Glasfasern sind dabei nach erfolgter Säureextraktion einer textilen Weiterver arbeitung zugänglich, wobei während dieser Verarbeitung lediglich ein vernachlässigbarer Staubungsanteil anfällt. Darüber hinaus bleiben die Formbeständigkeit und Elastizi tät der erfindungsgemäßen Glasfasern und Glasfaserfolge produkte nach der Mineralsäurebehandlung erhalten.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung und Ausführung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so geführt, daß das spinnfähige Glas in Form von Pellets eingesetzt wird. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, das spinnfähige Glas in jeder anderen Form, z. B. in Form von Kugeln oder Glasstäben in der Spinnvorrichtung einzusetzen. Vorzugsweise werden die Glas fasern im Rahmen eines Stabziehverfahrens erzeugt. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Glasfasern eignen sich die üblichen, in der Glasfaser- bzw. Glasseidenherstellung verwendeten, Spinnvorrichtungen. Vorzugsweise werden Glas fasern mit einem Durchmesser von 6 bis 15 µm erzeugt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß in der Spinnvorrichtung bzw. im Rahmen des Spinnverfahrens Strangfasern oder Sta pelfasern hergestellt werden. Diese können zu Stapelfaser garnen, Zwirnen und dergleichen weiterverarbeitet werden. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, im Rahmen des Spinn verfahrens Filamente zu erzeugen, die zu Filamentgarnen weiterverarbeitet werden können. Nach bevorzugter Ausfüh rungsform der Erfindung werden die Glasfasern bzw. Glas fäden zu flächenförmigen Produkten, wie Geweben, Gewirken, Gestricken und dergleichen weiterverarbeitet. Die aus der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung hergestellten Glas fasern zeichnen sich insoweit durch eine besonders einfache und vielseitige Weiterverarbeitbarkeit aus.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die mineralsaure Extraktion mit Salzsäure durchgeführt. Vor zugsweise werden die Glasfasern im Rahmen der mineralsauren Extraktion zu 2 bis 20 Gewichts-% von säurelöslichen Bestandteilen befreit. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die mineralsaure Extraktion an den Glasfasern vor ihrer Weiterverarbeitung durchgeführt. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß die Glasfasern zunächst zu einem Fertigprodukt verarbeitet werden und die mineralsaure Extraktion anschließend an dem Fertigprodukt durchgeführt wird.

Die aus den erfindungsgemäßen Glasfasern bzw. Glasfäden er zeugten Produkte, insbesondere flächenförmigen Produkte, wie beispielsweise Gewebe, sind vorzugsweise als thermisch beständige Produkte im Hochtemperaturbereich einsetzbar.

Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung eine Ausführungsform, bei der erfindungsgemäß hergestellte Stapelfaser-Vorgarne einer mineralsauren Extraktion unterzogen werden. Ein Einsatz solcher Stapelfaser-Vorgarne als thermisch beständige Produkte im Hochtemperaturbereich zwischen 750 und 1100°C ist bislang aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Glaszusammensetzung ange geben, die außer den im Patentanspruch 1 beanspruchten Komponenten weitere Nebenkomponenten, insbesondere als Verunreinigungen enthält und die folgenden Gewichtsanteile aufweist:

65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO₂),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na₂O),
0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al₂O₃),
0 bis 3 Gewichtsteile Kaliumoxid (K₂O),
0 bis 3 Gewichtsteile Calciumoxid (CaO),
0 bis 1 Gewichtsteil Eisen(III)-Oxid (Fe₂O₃),
0 bis 1 Gewichtsteil Titandioxid (TiO₂),
0 bis 1 Gewichtsteil Magnesiumoxid (MgO),
und 0 bis 1 Gewichtsteil Boroxid (B₂O₃).

Die Glaszusammensetzung kann außerdem Spurenanteile von weiteren Komponenten enthalten. - Nach der mineralsauren Extraktion weisen die aus der oben aufgeführten Glaszusam mensetzung hergestellten Glasfasern die Komponenten vor zugsweise in den folgenden Gewichtsanteilen auf:

95 bis 99 Gewichtsteile Siliciumdioxid,
0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Natriumoxid,
0 bis 3 Gewichtsteile Calciumoxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Eisen(III)-Oxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Titandioxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Magnesiumoxid.

Es versteht sich, daß auch nach der mineralsauren Extrak tion Spurenanteile weiterer Komponenten in den Glasfasern enthalten sein können.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die mineralsaure Extraktion so geführt, daß zweckmäßigerweise 50 g der erfindungsgemäß hergestellten Glasfasern, vor zugsweise Strangfasern, in 2 bis 20%iger Salzsäure inner halb von 2 bis 8 Stunden bei Temperaturen von 40 bis 80°C extrahiert werden. Anschließend werden die Strangfasern mit Wasser gespült und daraufhin 8 bis 16 Stunden bei 40 bis 80°C getrocknet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert:

Ausführungsbeispiel

Glaspellets der folgenden Glaszusammensetzung wurden im Rahmen eines Spinnverfahrens zur Glasfaserherstellung ein gesetzt:

73 Gewichtsteile Siliciumdioxid,
24 Gewichtsteile Natriumoxid
und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid.

Die Glaszusammensetzung enthielt Spurenanteile weiterer Komponenten. Aus dieser Glaszusammensetzung hergestellte Strangfasern wurden einer mineralsauren Extraktion mit Salzsäure unterzogen. Dabei wurden 50 g Strangfasern in einem PTFE-Gefäß in 250 ml 10%iger Salzsäure innerhalb von 3,5 Stunden bei einer Temperatur von 60°C extrahiert. Nach 10 Minuten Abtropfzeit wurden die so behandelten Faser stränge dreimal mit je 200 ml destilliertem Wasser gespült (Spülzeit 3 Minuten). Daraufhin wurden die extrahierten und gespülten Glasfaserstränge 12 Stunden bei einer Temperatur von 55°C getrocknet. Danach wiesen die Strangfasern die folgende Zusammensetzung auf:
97 Gewichtsteile Siliciumdioxid
und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid.

Es versteht sich, daß außerdem Spurenanteile der oben genannten weiteren Komponenten enthalten waren. Die auf diese Weise hergestellten und behandelten Glasfasern sind für den Hochtemperatureinsatz bis mindestens 1050°C geeignet. Bei der Weiterverarbeitung waren keine nennenswerten Staubungsanteile zu beobachten.

Claims

1. Glaszusammensetzung für spinnfähiges Glas zur Herstel lung von nach mineralsaurer Extraktion hochtemperatur beständigen Glasfasern, wobei die Glaszusammensetzung Sili ciumdioxid als Hauptkomponente aufweist sowie fernerhin Aluminiumoxid und Alkalioxid als Komponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammen setzung
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO₂),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na₂O) und/oder Kaliumoxid (K₂O)
und 0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al₂O₃)
aufweist.

2. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Glaszusammensetzung
70 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO₂),
15 bis 25 Gewichtsteile Natriumoxid (Na₂O) und/oder Kaliumoxid (K₂O)
und 1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al₂O₃)
aufweist.

3. Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 15 bis 30 Gewichtsteile, be vorzugt 15 bis 25 Gewichtsteile, Natriumoxid als Alkalioxid eingesetzt sind.

4. Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 4 Gewichtsteile, vorzugs weise 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid vorgesehen sind.

5. Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Glasfasern, dadurch gekennzeichnet, daß aus ei nem spinnfähigen Glas einer Glaszusammensetzung mit 65 bis 75 Gewichtsteilen Siliciumdioxid, 15 bis 30 Gewichtsteilen Natriumoxid und/oder Kaliumoxid sowie 0,1 bis 5 Gewichts teilen Aluminiumoxid in einer Spinnvorrichtung Glasfasern erzeugt werden und anschließend diese Glasfasern mit zu mindest einer Mineralsäure extrahiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem spinnfähigen Glas einer Glaszusammensetzung mit 70 bis 75 Gewichtsteilen Siliciumdioxid, 15 bis 25 Gewichtsteilen Natriumoxid und/oder Kaliumoxid sowie 1 bis 5 Gewichtsteilen Aluminiumoxid gearbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das spinnfähige Glas in Form von Pellets eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern im Rahmen eines Stabziehverfahrens erzeugt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Glasfasern mit einem Durchmesser von 6 bis 15 µm erzeugt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mineralsaure Extraktion mit Salzsäure durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern im Rahmen der mineral sauren Extraktion zu 5 bis 20 Gewichts-% von säurelöslichen Bestandteilen befreit werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mineralsaure Extraktion an den Glasfasern vor ihrer textilen Weiterverarbeitung durchge führt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern zu flächenförmigen Pro dukten, beispielsweise zu Geweben, Bändern, Vliesen, Schnüren oder Packungen verarbeitet werden und die mineralsaure Extraktion an diesen Folgeprodukten durchgeführt wird.