DE60301263T2

DE60301263T2 - In salzlösung lösliche anorganische fasern

Info

Publication number: DE60301263T2
Application number: DE60301263T
Authority: DE
Inventors: Gary Anthony Jubb; John Craig FREEMAN
Original assignee: Morgan Crucible Co PLC
Current assignee: Morgan Advanced Materials PLC
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2023-01-03
Also published as: KR20040079905A; ATE301622T1; CN1612845A; ES2297540T3; GB0200162D0; JP4744084B2; MXPA04006500A; DE60301263D1; ATE384690T1; CA2470642A1; WO2003059835A1; GB2383793B; EP1544177A3; US20040254056A1; RU2004123789A; DE60318866D1; RU2303574C2; EP1474366A1; US7470641B2; US7651965B2

Description

Diese Erfindung betrifft salzhaltige, lösliche, nichtmetallische, amorphe, refraktäre faserförmige, anorganische Oxidmaterialien. Die Erfindung betrifft insbesondere glasartige Fasern, die Siliciumdioxid als ihren Hauptbestandteil aufweisen.
Anorganische faserformige Materialien sind wohlbekannt und werden für viele Zwecke breit angewandt (z. B. als thermische oder akustische Isolierung in Form eines Bauschs, einer Matte oder einer Decke, als vakuumgeformtes Formteil, als vakuumgeformte Platten und Papiere, und als Seile, Garne oder Textilien; als verstärkende Faser in Baumaterialien; als ein Bestandteil von Bremsblöcken für Fahrzeuge). In den meisten dieser Anwendungen erfordern die Eigenschaften, auf Grund derer anorganische Fasermaterialien verwendet werden, Beständigkeit gegenüber Hitze, und oftmals Beständigkeit gegenüber aggressiven chemischen Umgebungen.
Anorganische faserförmige Materialien können entweder glasartig oder kristallin sein. Asbest stellt ein anorganisches faserförmiges Material dar, dessen eine Form in hohem Maße Erkrankungen der Atemwege zur Folge hat.
Es ist immer noch nicht klar, wie der verursachende Mechanismus abläuft, der einige Asbestarten mit der Krankheit in Zusammenhang bringt, aber einiger Forscher glauben, dass der Mechanismus mechanischer Natur ist und mit der Größe zusammenhängt. Asbest mit einer kritischen Größe kann die Zellen im Körper durchstoßen und besitzt so durch eine lang andauernde und wiederholte Zellverletzung eine schädliche Wirkung auf die Gesundheit. Ob dieser Mechanismus nun stimmt oder nicht, Regulierungsbehörden haben den Wunsch angezeigt, jedes anorganische Faserprodukt, das eine für die Atmung relevante Korngrößenklasse aufweist, als gefährlich einzustufen, ohne Rücksicht darauf, ob es einen Beweis gibt, der eine derartige Einstufung stützt. Leider gibt es für viele Anwendungen, bei denen anorganische Fasern verwendet werden, keinen realistischen Ersatz.
Dementsprechend besteht der Bedarf nach anorganischen Fasern, die ein so geringes Risiko wie möglich (wenn überhaupt eines) darstellen und für die es objektive Gründe gibt anzunehmen, dass sie sicher sind.
Eine Studienreihe hat vorgeschlagen, dass, wenn anorganische Fasern hergestellt würden, die in physiologischen Flüssigkeiten so ausreichend löslich wären, dass ihre Verweilzeit im menschlichen Körper kurz ist; dann träte kein Schaden auf oder er wäre zumindest minimiert. Da es scheint, dass das Risiko einer mit Asbest verbunden Krankheit sehr stark von der Länge der Exposition abhängt, erscheint diese Idee vernünftig. Asbest ist äußerst unlöslich.
Da physiologische Kochsalzlösung in der Natur eine interzelluläre Flüssigkeit darstellt, ist die Bedeutung der Faserlöslichkeit in physiologischer Kochsalzlösung lange anerkannt. Wenn Fasern in physiologischer Kochsalzlösung löslich sind, dann sollten die Fasern sicherer sein, als die Fasern, die nicht so löslich sind, vorausgesetzt, dass die gelösten Komponenten nicht toxisch sind. Je kürzer die Zeit ist, während der eine Faser im Körper verweilt, umso weniger Schaden kann sie anrichten. H. Förster diskutierte in „Das Verhalten von Mineralfasern in physiologischen Lösungen" (Vorgehensweisen von 1982, WHO LARC Konferenz, Kopenhagen, Band 2, Seiten 27–55 (1988)) das Verhalten handelsüblich hergestellter Mineralfasern in physiologischen Kochsalzlösungen. Fasern einer breit variierenden Löslichkeit wurden diskutiert.
Die Internationale Patentanmeldung Nr. WO 87/05007 offenbarte, dass Fasern, die Magnesia, Siliciumdioxid, Calciumoxid und weniger als 10 Gew.% Aluminiumoxid enthalten, in physiologischer Kochsalzlösung löslich sind. Die Löslichkeiten der offenbarten Fasern wurden im Hinblick auf die ppm(parts per million)-Werte an Silicium (extrahiert aus dem Siliciumdioxid enthaltenden Material der Faser), die in einer physiologischen Kochsalzlösung nach 5 Stunden Exposition vorliegen, an gegeben. Der höchste in den Beispielen angeführte Wert wies einen Siliciumgehalt von 67 ppm auf. Im Gegensatz dazu, und angepasst an dieselbe Messvorschrift, war der höchste Wert, der in der Veröffentlichung von Förster offenbart wurde, ungefähr gleich 1 ppm. Wenn im Gegensatz dazu der höchste in der Internationalen Patentanmeldung angeführte Wert nach derselben Messvorschrift wie in der Veröffentlichung von Förster umgewandelt würde, wiese es eine Extraktionsrate von 901.500 mg Si/kg Faser auf – d.h. etwa 69mal höher als jede der von Förster getesteten Fasern, und bei den Fasern, die die höchste Extraktionsrate im Förstertest aufwiesen, handelte es sich um Glasfasern, die hohe Alkali-Gehalte aufwiesen und daher einen niedrigen Schmelzpunkt besäßen. Dabei handelt es sich um eine überzeugend bessere Leistung, sogar wenn man Faktoren wie Unterschiede bei den Testlösungen und die Dauer des Experimentes berücksichtigt.
Die Internationale Patentanmeldung Nr. WO89/12032 offenbarte zusätzliche Fasern, die in physiologischer Kochsalzlösung löslich sind, und diskutiert einige der Bestandteile, die in derartigen Fasern vorliegen können.
Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0399320 offenbarte Glasfasern mit einer hohen physiologischen Löslichkeit.
Weitere Patentbeschreibungen, die eine Auswahl an Fasern im Hinblick auf ihre Löslichkeit in physiologischer Kochsalzlösung offenbaren, schließen zum Beispiel die Europäischen 0412878 und 0459897, die Französischen 2662687 und 2662688, die PCT- WO86/04807, WO90/02713, WO92/09536, WO93/22251, WO94/15883, WO97/16386 und die der Vereinigten Staaten Nr. 5250488 ein.
Die Feuerbeständigkeit der in diesen verschiedenen Dokumenten des Standes der Technik offenbarten Fasern variiert beträchtlich und für diese Erdalkalisilicatmaterialien hängen die Eigenschaften kritisch von der Zusammensetzung ab.
WO93/15028 offenbart eine Vielzahl von Calciummagnesiumsilicatfasern, die als thermische Isolierung verwendbar sind, mit maximalen Gebrauchstemperaturen von 1000°C oder darüber. Diese Zusammensetzungen enthielten keine Lanthanide.
WO94/15883 offenbarte eine Vielzahl von Fasern, die nützlich sind als feuerfeste Isolierung bei Temperaturen von bis zu 1260°C oder darüber. Diese Fasern enthielten CaO, MgO, SiO₂ und optional ZrO₂ als Hauptbestandteile. Derartige Fasern sind häufig als CMS- (Calciummagnesiumsilicat) oder CMZS-((Calciummagnesiumzirconsilicat)Fasern bekannt. WO94/15883 verlangte, dass jegliches vorhandene Aluminiumoxid nur in kleinen Mengen vorliegt.
Ein Nachteil, der bei der Verwendung dieser Fasern zu finden ist, besteht darin, dass bei Temperaturen zwischen etwa 1300°C und 1350°C die Fasern eine beträchtliche Zunahme der Schrumpfung erleiden. Typischerweise steigen diese Schrumpfungen von etwa 1–3% bei 1200°C auf, angenommen, 5% oder mehr bei 1300°C, bis >20% bei 1350°C an. Dies bedeutet, dass zum Beispiel eine Temperatur, die an einem Ofen überschritten wird, zu einer Beschädigung der Isolierung und damit des Ofens selber führen kann.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Calciummagnesiumsilicatfasern auf Grund der Ausbildung einer eutektischen Zusammensetzung mit Aluminiumoxidhaltigen Materialien reagieren und daran haften kann. Da Aluminosilicatmaterialien breit Verwendung finden stellt dies ein größeres Problem dar.
WO97/16386 offenbarte Fasern, die verwendbar sind als feuerfeste Isolierung bei Temperaturen von bis zu 1260°C oder darüber. Diese Fasern enthalten MgO, SiO₂ und optional ZrO₂ als Hauptbestandteile. Ebenso wie bei WO94/15883, verlangte dieses Patent, dass jegliches vorhandene Aluminiumoxid nur in kleinen Mengen vorliegt.
Während diese Fasern keine dramatische Veränderung bei der Schrumpfung zeigen, wie dies offensichtlich bei den Faser der WO94/15883 ist, zeigen sie jedoch eine signifikant höhere Schrumpfung bei normalen Gebrauchstemperaturen und weisen typischerweise eine Schrumpfung von 3–6% über den Bereich von 1200°C-1450°C auf. Es scheint, dass diese Fasern keinen Nachteil im Hinblick auf die Reaktion mit und das Haften an Aluminiumoxid enthaltenden Materialien aufweisen, sie neigen jedoch dazu, schwer herstellbar zu sein.
US 4882302 offenbart Lanthanid-haltige Erdalkalisilicat-Glasfasern und schlägt die Verwendung von Lanthaniden zur Förderung der Beständigkeit gegenüber Alkali vor. Die bevorzugte Menge an vorliegendem Aluminiumoxid wird als mehr als 3 Gewichts% angegeben.
SU881025A offenbart Lanthanid-haltige Gläser zur Beschichtung von Beton.
Die Anmelder haben eine Gruppe von Fasern entwickelt, die eine geringere Schrumpfung über einen Bereich von Temperaturen aufweisen als die Fasern der WO97/16386, während sie einen höheren Startpunkt der Zunahme der Schrumpfung sowie eine mildere Veränderung der Schrumpfung besitzen als die Fasern der WO94/15883, und die ebenfalls eine geringere Neigung besitzen, mit Aluminiumoxid zu reagieren und daran zu haften.
Darüber hinaus haben die Anmelder herausgefunden, dass die Zugabe von kleinen Mengen der Lanthanidelemente, insbesondere Lanthan, die Qualität der Fasern, insbesondere ihre Länge und Dicke, derart verbessert, dass eine verbesserte Festigkeit resultiert. Es gibt einen Ausgleich was eine geringfügig niedrigere Löslichkeit anbetrifft, aber die verbesserte Festigkeit ist hilfreich, insbesondere bei der Herstellung von Produkten wie Decken, bei denen die Fasern genadelt werden, um ein verschränktes Netz aus Fasern auszubilden.
Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung eine Silicatfaser enthaltend (in Gew.%):
65% < SiO₂ < 86%
MgO < 10%
14% < CaO < 28%
Al₂O₃ < 2%
ZrO₂ < 3%
B₂O₃ < 5%
P₂O₅ < 5%
72% < SiO₂ + ZrO₂ + B₂O₃ + 5·P₂O₅
95% < SiO₂ + CaO + MgO + Al₂O₃ + ZrO₂ + B₂O₃ + P₂O₅
0,1 % < R₂O₃ < 4%
wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y oder Mischungen daraus.
Bei den bevorzugten Elementen handelt es sich um La und Y. Um signifikante Verbesserungen bei der Faserqualität zu erzielen beträgt die Menge an R₂O₃ vorzugsweise mehr als 0,25%, bevorzugter > 0,5%, und weiter bevorzugt > 1,0%. Um die auftretende Verringerung der Löslichkeit zu minimieren, beträgt die Menge an R₂O₃ vorzugsweise < 2,5%, bevorzugter < 1,5 Gewichts%. Sehr gute Ergebnisse werden für eine Faser erzielt mit der Zusammensetzung in Gew.%:-

SiO₂:- 73 ± 0,5%

CaO:- 24 ± 0,5%

La₂O₃:- 1,3 – 1,5%

Verbleibende Bestandteile:- < 2%, vorzugsweise < 1,5%
Weitere Kennzeichen der Erfindung werden aus den Ansprüchen im Lichte der folgenden veranschaulichenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnung 1 hervorgehen, die eine Kurve der Schrumpfung gegenüber der Temperatur einiger Lanthanid-freier Fasern, vorwiegend Calciumsilicat-Fasern (unten beschrieben und nicht gemäß der Erfindung), im Vergleich mit einigen handelsüblichen Fasern darstellt.
Die Erfinder haben eine Reihe von Calciumsilicatfasern unter Verwendung einer experimentellen Einrichtung hergestellt, in der eine Schmelze einer geeigneten Zusammensetzung ausgebildet, durch eine 8–16 mm Öffnung abgelassen und ausgeblasen wurde, um auf bekannte Weise Fasern herzustellen. (Die Größe der Ablassöffnung wurde variiert, um der Viskosität der Schmelze Rechnung zu tragen – dies stellt eine Anpassung dar, die experimentell entsprechend der verwendeten Vorrichtung bzw. Zusammensetzung bestimmt werden muss).
Die Fasern wurden getestet und die Ergebnisse für die Fasern, die nicht der Erfindung entsprechen und bei denen es sich überwiegend um Calciumsilicatfasern mit einigem MgO handelt, sind in Tabelle 1 gezeigt, in der:

• Schrumpfungszahlen gezeigt sind, wie sie an einer Vorform der Faser mittels der Methode (siehe unten) gemessen wurden,
• Zusammensetzungen gezeigt sind, wie sie mittels Röntgenfluoreszenz mit Bor durch nasschemische Analyse gemessen wurden,
• die Gesamtlöslichkeit in ppm der Hauptglaskomponenten nach 24 Stunden statischer Prüfung in einer physiologischen Kochsalzlösung gezeigt ist,
• die spezifische Oberfläche in m²g angegeben ist,
• eine qualitative Beurteilung der Faserqualität angeführt ist,
• und angezeigt wird, ob die Vorform an einem Aluminosilicat-Ziegelstein (JM 28 Ziegelsteine, die von Thermal Ceramics Italiana erhältlich sind und eine ungefähre Zusammensetzung von 70 Gew.% Aluminiumoxid und 30 Gew.% Siliciumdioxid aufweisen) haftet

Die Schrumpfung wurde gemessen mittels der Methode der Herstellung vakuumgegossener Vorformen, unter Verwendung von 75g Faser in 500 cm³ einer 0,2% Stärkelösung, zu einem Werkzeug von 120 × 65 mm. Platinstifte (ungefähr 0,1 bis 0,3 mm im Durchmesser) wurden einzeln in den 4 Ecken auf 100 × 45 mm eingebracht. Die längsten Längen (L1 & L2) und die Diagonalen (L3 & L4) wurde in einer Genauigkeit von ± 5 μm unter Verwendung eines Reisemikroskops gemessen. Die Proben wurden in einen Ofen eingebracht und mit 300°C/Stunde auf eine Temperatur von 50°C unterhalb der Testtemperatur gebracht und für die letzten 50°C bis zur Testtemperatur mit 120°C/Stunde und 24 Stunden dabei belassen. Bei Entfernung aus dem Ofen ließ man die Proben von selbst abkühlen. Die Schrumpfungswerte sind angegeben als Durchschnitt von 4 Messungen.
Es wurde herausgefunden, dass diejenigen Fasern, die einen Siliciumdioxidgehalt von weniger als 72 Gewichts% aufwiesen dazu neigten, an dem Aluminosilicatziegelstein zu haften. Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass Fasern mit hohem MgO-Gehalt (> 12%) nicht hafteten (wie anhand der Eigenschaften der WO97116386 vorhergesagt).
Es ist bekannt, dass Calciumsilicatfasern, die einen dazwischen liegenden Gehalt an MgO (12 – 20 %) aufweisen, an einem Aluminosilicatziegelstein haften, wohingegen Magnesiumsilicatfasern dies nicht tun. Überraschenderweise können bei den Fasern aus Tabelle 1 derartige dazwischen liegende Gehalte an MgO toleriert werden. Gehalte von < 10% MgO, oder < 5% MgO ergeben die geforderten nicht haftenden Ergebnisse, aber es scheint, dass zur Feuerbeständigkeit vorzugsweise ein maximaler Gehalt an MgO von 2,5 Gewichts% vorliegt, und besonders bevorzugt sollte die Menge unterhalb von 1,75 Gewichts% liegen.
Tabelle 2 zeigt die Wirkung von Aluminiumoxid und Zirconia auf diese Fasern, (nicht gemäß der Erfindung). Es ist bekannt, dass Aluminiumoxid nachteilig für die Faserqualität ist, und die ersten drei Zusammensetzungen von Tabelle 2 besitzen mehr als 2% Al₂O₃ und haften an einem Aluminosilicatziegelstein. Zusätzlich führt ein erhöhter Aluminiumoxidgehalt zu einer verringerten Löslichkeit. Entsprechend wurde bestimmt, dass 2% bei diesen Zusammensetzungen die obere Grenze für den Aluminiumoxidgehalt darstellt.
Im Gegensatz dazu ist bekannt, dass Zirconia die Feuerbeständigkeit verbessert und Tabelle 2 zeigt, dass Siliciumdioxidgehalte von unter 72% toleriert werden können wenn die Menge an ZrO₂ ausreichend ist, um eine Summe von SiO₂ und ZrO₂ von größer als 72 Gewichts% zu ergeben. Zunehmende Mengen an Zirconia verringern jedoch die Löslichkeit der Fasern in physiologischer Kochsalzlösung, und daher beträgt der bevorzugte Gehalt an ZrO₂ weniger als 3%.
Die Wirkung einiger anderer üblicher Glasadditive wird in Tabelle 3 aufgezeigt (nicht erfindungsgemäß), die die Wirkung von P₂O₅ und B₂O₃ als glasbildende Additive zeigt. Es ist zu sehen, dass P₂O₅ eine unverhältnismäßige Wirkung auf die Hafteigenschaften dieser Zusammensetzungen besitzt, da Fasern mit einem so niedrigen Gehalt an SiO₂ wie 67,7% nicht an einem Aluminosilicatziegelstein haften.
B₂O₃ besitzt ebenfalls eine Wirkung, auf Fasern mit einem so niedrigen Gehalt an SiO₂ wie 70,9% nicht zu haften. Es wurde festgestellt, dass das Haften an Aluminosilicatziegelsteinen dahin geht, bei Fasern, die den folgenden Zusammenhang aufweisen, nicht aufzutreten:-
72% < SiO₂ + B₂O₃ + ZrO₂ + 5·P₂O₅.
Es wurde angenommen, dass der maximale Gehalt an B₂O₃ und P₂O₅ jeweils bei 5 Gewichts.% liegt.
Tabellen 1 bis 3 (nicht erfindungsgemäß) zeigen, dass geringere Mengen anderer Bestandteile enthalten sein können und dass bis zu 5% anderer Bestandteile tolerierte werden, aber vorzugsweise belaufen sich die anderen Bestandteile zu weniger als 2%, weiter bevorzugt weniger als 1%, da derartige anderer Bestandteile dazu neigen, die Faser weniger feuerfest zu machen. (Siehe aber unten bzgl. der Wirkung der speziellen Lanthanadditive der vorliegenden Erfindung).
Die obigen Ergebnisse wurden erhalten an einer experimentellen Einrichtung, mit all den Unsicherheiten, die diese mit sich bringt. Produktionsversuche der Fasern, die am vorteilhaftesten erschienen, wurden an zwei separaten Stellen- durchgeführt, um zu erlauben, sowohl Versuche zum Blasen als auch zum Spinnen der Lanthanid-freien überwiegend Calciumsilicat enthaltenden Zusammensetzungen durchzuführen. Tabelle 4 (nicht erfindungsgemäß) zeigt eine Auswahl der erhaltenen Ergebnisse (Wiederholungen sind weggelassen) und zeigt, dass eine sehr nützliche Faser resultiert. Die in den Produktionsversuchen getesteten Fasern wiesen Zusammensetzungen auf, die in den folgenden ungefähren Bereich fielen
72% < SiO₂ < 80%
18% < CaO < 26%
0% < MgO < 3%
0% < Al₂O₃ < 1 %
0% < ZrO₂ < 1,5%
mit 98,5% < SiO₂ + CaO + MgO + Al₂O₃ + ZiO₂ + B₂O₃ + P₂O₅.
Es ist zu sehen, dass die Zusammensetzungen mit einem MgO-Gehalt von mehr als 1,75% dazu neigten, bei 1350°C eine höhere Schrumpfung aufzuweisen als diejenigen mit einem niedrigeren MgO-Gehalt.
1 zeigt ein wichtiges Merkmal der Fasern der Lanthanid-freien, überwiegend Calciumsilicat enthaltenden Fasern in graphischer Form und vergleicht die Schrumpfungskennwerte der ersten drei Fasern und der fünften Fasern der Tabelle 4 (alle als SW613 bezeichnet) mit den handelsüblichen Fasern Isofrax^® (eine Magnesiumsilicatfaser der Unifrax Corporation), RCF (eine standardmäßige, feuerfeste, keramische Aluminosilicatfaser) und SW607 Max^TM, SW607^TM und SW612^TM (Calciummagnesiumsilicatfasern von Thermal Ceramics Europe Ltd.).
Man kann sehen, dass Isofrax^® und RCF eine Schrumpfung aufweisen, die über einen Bereich von 1200 bis 1450°C im Bereich von 3–6% liegt. SW607 Max^TM, SW607^TM und SW612^TM besitzen bei 1200°C Schrumpfungen im Bereich von 2-5%, steigen aber über 1300°C schnell an. Die oben beschriebenen Lanthanidfreien, überwiegend Calciumsilicat enthaltenden Fasern besitzen bis 1350°C eine Schrumpfung von weniger als 2%, gehen bei 1400°C auf 5–8% und beschleunigen danach.
Die oben beschriebenen Lanthanid-freien, überwiegend Calciumsilicat enthaltenden Fasern besitzen daher den Vorteil einer geringeren Schrumpfung als Magnesiumsilicat-, handelsübliche Calciummagnesiumsilicat- oder RCF-Fasern bei 1300°C; beginnen mit ihrer Zunahme bei der Schrumpfung bei einer höheren Temperatur als die handelsüblichen Calciummagnesiumsilicat-Fasern; besitzen einen flacheren Anstieg der Schrumpfung mit zunehmender Temperatur als handelsübliche Calciummagnesiumsilicat-Fasern; und haften nicht an einem Aluminosilicatziegelstein in der Weise wie dies handelsübliche Calciummagnesiumsilicatfasern tun können.
Die Fasern können in einer thermischen Isolierung verwendet werden und können entweder einen Bestandteil der Isolierung ausbilden (z. B. mit anderen Fasern und/oder Füllstoffen und/oder Bindemitteln) oder können die ganze Isolierung bilden. Die Fasern können ausgebildet sein in Form einer Deckenisolierung.
Ein Problem, das bei den oben beschriebenen Lanthanid-freien Calciumsilicatfasern zu finden war, bestand darin, dass die Fasern dazu neigen, kurz zu sein, was zu einer Decke von schlechter Qualität führt. Ein Mittel, um eine bessere Faser für eine Decke herzustellen, war erforderlich und die Anmelder haben Screening-Tests durchgeführt, um die Wirkung der Zugabe anderer Elemente als Additive zu der Zusammensetzung auf die Faserqualität zu untersuchen. Es wurde herausgefunden, dass Lanthanid-Elemente, insbesondere La und Y die Faserqualität verbesserten. Es stellte sich heraus, dass La das kommerziell interessanteste Element darstellte und daher konzentrierten sich nach diesem anfänglichen Screening-Test die Bemühungen auf die Untersuchung der Wirkung von La.
La₂O₃ wurde als Additiv in Mengen von 0–4% in einer Faser verwendet, die 73,5% SiO₂ und eine ausgleichende Menge an CaO sowie geringe Mengen an Verunreinigungen enthielt, um die optimale Menge zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von La₂O₃ die Zerfaserung verbesserte während sie die Feuerbeständigkeit nicht verringerte. Die Fasern haben nicht mit Aluminiumoxidziegelsteinen reagiert. Bei den größten Mengen an La₂O₃ wurde die Löslichkeit jedoch signifikant verringert. Entsprechend wurde für weitere Tests an der Faserzusammensetzung eine Kompromissmenge von 1,3–1,5% La₂O₃ verwendet.
Steigende Mengen an Siliciumdioxid erhöhen die Feuerbeständigkeit der Faser, was eine geringere Schrumpfung und einen höheren Schmelzpunkt ergibt und die Reaktion mit Aluminiumoxid bei einer höheren Temperatur verringert.
Der beste Kompromiss zwischen Feuerbeständigkeit und Zerfaserung wurde für eine Zusammensetzung gefunden aus:

SiO₂ 73%

CaO 24%

La₂O₃ 1,3–1,5%

Verbleibende Verunreinigungen (Al₂O₃, MgO, Andere) < 1,5%
Diese Zusammensetzung wurde bei der Herstellung einer Decke, die die Zusammensetzung „Mit La" in der unten gezeigten Tabelle 5 aufwies, im Produktionsmaßstab getestet.
Es wurde bestätigt, dass die Zusammensetzung bessere Fasern produzierte als eine La-freie Version („Kein La" in Tabelle 5). Die Fasern reagieren immer noch nicht mit einem Aluminiumoxidziegelstein und besitzen eine gute Feuerbeständigkeit.
Eine bessere Zerfaserung wurde beobachtet und berechnet wenn man sich die Zugfestigkeit einer 25 mm dicken Decke mit einer Dichte von 128 kg/m₃ ansieht.
Es ist zu sehen, dass die Zugabe von nur 1,3% La₂O₃ zu einer beträchtlichen Verbesserung der Zugfestigkeit führt, was auf eine deutlich verbesserte Faser hinweist.

Claims

Silicatfaser enthaltend: 65% < SiO₂ < 86% MgO < 10% 14% < CaO < 28% Al₂O₃ < 2% ZrO₂ < 3% B₂O₃ < 5% P₂O₅ < 5% 72% < SiO₂ + ZrO₂ + B₂O₃ + 5·P₂O₅ 95% < SiO₂ + CaO + MgO + Al₂O₃ + ZrO₂ + B₂O₃ + P₂0₅ 0,1 % < R₂O₃ < 4% wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y oder Mischungen daraus.
Silicatfaser wie in Anspruch 1 beansprucht, in der R La oder Y oder Mischungen daraus darstellt.
Silicatfaser wie in Anspruch 2 beansprucht, in der R La ist.
Silicatfaser wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, in der die Menge an R₂O₃ größer als 0,25%, bevorzugter > 0,5% und weiter bevorzugt größer als 1,0% ist.
Silicatfaser wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, in der die Menge an R₂O₃ < 2,5%, vorzugsweise < 1,5 Gew.-% ist.
Silicatfaser wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, mit der Zusammensetzung in Gew.-%: 72 % < SiO₂ < 80 % 18% < CaO < 26% 0% < MgO < 3% 0% < Al₂O₃ < 1 % 0% < ZrO₂ < 1,5% 1 % < R₂O₃ < 2, 5 %
Silicatfaser wie in Anspruch 6 beansprucht, in der R La enthält.
Silicatfaser wie in Anspruch 7 beansprucht mit der Zusammensetzung in Gew.-%: SiO₂:- 73 ± 0,5% CaO:- 24 ± 0,5% La₂O₃:- 1,3 – 1,5% verbleibende Bestandteile: < 2%, vorzugsweise < 1,5%
Wärmeisolierung umfassend Silicatfasern wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht.
Wärmeisolierung umfassend vollständige Fasern wie in irgend einem der Ansprüche 1 bis 8 spezifiziert.
Wärmeisolierung wie in irgend einem der Ansprüche 9 bis 10 beansprucht, in der die Wärmeisolierung in Form einer Decke vorliegt.
Wärmeisolierung wie in irgend einem der Ansprüche 9 bis 11 beansprucht, zur Verwendung in Anwendungen, die eine kontinuierliche Beständigkeit gegenüber Temperaturen von 1300 °C ohne Reaktion mit Alumino-Silicat-Schamottesteinen erfordern.
Verwendung eines Körpers als Wärmeisolierung umfassend Fasern wie in irgend einem der Ansprüche 1 bis 8 spezifiziert, in einer Anwendung, die eine kontinuierliche Beständigkeit gegenüber Temperaturen von 1260 °C ohne Reaktion mit Alumino-Silicat-Schamottesteinen erfordert.
Verwendung wie in Anspruch 13 beansprucht, in einer Anwendung, die eine kontinuierliche Beständigkeit gegenüber Temperaturen von 1300 °C ohne Reaktion mit Alumino-Silicat-Schamottesteinen erfordert.
Verfahren zur Verbesserung der Zerfaserung von Erdalkali-Silicat-Fasern mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 65% < SiO₂ < 86% MgO < 10% 14% < CaO < 28% Al₂O₃ < 2% ZrO₂ < 3% B₂O₃ < 5% P₂O₅ < 5% 72% < SiO₂ + ZrO₂ + B₂O₃ + 5·P₂O₅ 95% < SiO₂ + CaO + MgO + Al₂O₃ + ZrO₂ + B₂O₃ + P₂O₅ durch Einschluss von R₂O₃ in von 1 % bis 4 Gew.-% reichenden Mengen in die Bestandteile der Faser, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y oder Mischungen daraus.
Verfahren wie in Anspruch 15 beansprucht, in dem R La oder Y oder Mischungen daraus darstellt.
Verfahren wie in Anspruch 16 beansprucht, in dem R La ist.