DE69109083T2 - Glasfaserzusammensetzungen. - Google Patents

Glasfaserzusammensetzungen.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Glaszusammensetzungen und insbesondere Natronkalk-Aluminoborosilikat-Glaszusammen- Setzungen. Ganz besonders betrifft die vorliegende Erfindung aus diesen Glaszusammensetzungen gebildete Glasfasern und insbesondere aus diesen Zusammensetzungen hergestelltes Glasfaser-Isolationsmaterial.
    • Stand der Technik
  • Glasfaser-Isolationsmaterialien sind bekannt und seit langer Zeit im Handel erhältlich. Das Isolationsmaterial wird aus verschlungenen Natronkalk-Aluminoborosilikat-Glasfasern, die mit einem Bindemittel zusammengehalten werden, hergestellt. Beim Bindemittel kann es sich um ein beliebiges geeignetes Material handeln, wobei aber ein Phenol-Formaldehyd- Harz oder ein Harnstoff-Formaldehyd-Harz recht gebräuchlich ist. Diese Bindemittel sind bekannt. Sie werden im allgemeinen mit einer Sprühdüse auf die Glasfasern aufgebracht, wobei heiße Gase die von einer rotierenden Vorrichtung, allgemein als Spinnvorrichtung bezeichnet, kommenden Fasern lockern. Eine Fördervorrichtung sammelt die mit Bindemittel beschichteten Fasern in Form einer Decke, und die Decke wird durch Wärmeeinwirkung unter Bildung des fertigen Isolationsmaterials gehärtet. Das Verfahren liefert unterschiedliche Dichten durch Variation der Fördergeschwindigkeit und der Dicke des gehärteten lsolationsmaterials. Diese Technik ist bekannt.
  • Man weiß, daß inhalierte Asbestfasern beim Menschen erhebliche Erkrankungen verursachen können. Obgleich der genaue Mechanismus, der für die biologische Aktivität von inhalierten Asbestfasern nicht bekannt ist, ist die Annahme weit verbreitet, daß ihre Fähigkeit, über lange Zeiträume hinweg in der Lunge zu verbleiben, einen wichtigen Faktor darstellt. Glasfasern werden mit Erkrankungen beim Menschen nicht in Verbindung gebracht. Ferner ist ihre Dauerhaftigkeit oder Verweilzeit in der Lunge offensichtlich wesentlich geringer als bei Asbestfasern. Außerdem ist zu erwarten, daß durch eine Erhöhung der Löslichkeit von Glasfasern die Verweilzeit von inhalierten Glasfasern in der Lunge gesenkt werden kann.
  • Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß die Auflösungsgeschwindigkeit von Glasfasern in Kochsalzlösungen, ähnlich den in der Lunge herrschenden Bedingungen, erheblich gesteigert werden kann, indem man die chemische Zusammensetzung der Fasern verändert; es ist jedoch nicht naheliegend, daß dies so erfolgen kann, daß die Dauerhaftigkeit des Faserisolationsmaterials für gewerbliche Zwecke unbeeinträchtigt bleibt. Erindungsgemäß werden Glasfaserzusammensetzungen beschrieben, die eine erhöhte Auflösungsgeschwindigkeit in physiologischen Salzlösungen, ähnlich denen, wie sie in der Lunge auftreten, aufweisen, die aber dennoch von angemessener Dauerhaftigkeit für gewerbliche Isolationszwecke sind. Außerdem besitzen diese Zusammensetzungen physikalische Eigenschaften, die es ermöglichen, sie gemäß dem gleichen Verfahren, wie sie derzeit im Einsatz sind, zu Glasfaser-Isolationsmaterial zu verarbeiten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Bei herkömmlichen Glaszusammensetzungen, die für Isolationszwecke geeignet sind, handelt es sich um Natronkalk- (oder Alkalimetalloxid)-Calciumoxid- (oder Erdalkalimetalloxid) -Aluminoborosilicat-Zusammensetzungen. Folgende Bestandteile im Glas sind von besonderem Interesse: SiO&sub2;, das typischerweise in einer Menge von 54 bis 68 Gew.-% vorliegt; Al20&sub3;, das typischerweise in Mengen bis zu 8 Gew.-% vorliegt; B&sub2;O&sub3;, das typischerweise in Mengen bis zu 15 Gew.-% vorliegt; Na&sub2;O, das typischerweise in Mengen von etwa 5 bis etwa 18 Gew.-% vorliegt; CaO, das typischerweise in Mengen von etwa 3 bis 14 Gew.-% vorliegt; MgO, das typischerweise in Mengen bis zu 10 Gew. -% vorliegt; und K&sub2;O, das typischerweise in Mengen bis zu 5 Gew.-% vorliegt. Weitere Materialien können ebenfalls im Glas vorhanden sein, entweder als Verunreinigungen oder als gewollte Bestandteile. Zu diesen Bestandteilen können eine oder mehrere der folgenden Substanzen gehören: Eisen in Mengen bis zu 2 Gew.-%, als Fe&sub2;O&sub3;; TiO&sub2; in Mengen bis zu 4 Gew.-%; F&sub2; in Mengen bis zu 2 Gew.-%; BaO in Mengen bis zu 4 Gew.-%; ZnO in Mengen bis zu 4 Gew.-%. Tabelle 1 enthält drei typische Beispiele für derartige Glaszusammensetzungen, wobei auch die entsprechenden physikalischen Eigenschaften angegeben sind.
  • Obgleich die genauen physikalischen/chemischen Bedingungen, die ein Teilchen in der Lunge antrifft, unbekannt sind, läßt sich diesbezüglich eine Reihe von vernünftigen Annahmen machen. Diese Annahmen wurden herangezogen, um Lösungen bereitzustellen, von denen man annimmt, daß sie nahe an die in der Lunge herrschenden Bedingungen herankommen. Diese Lösungen wurden von einer Reihe von Bearbeitern herangezogen, um die Auflösungsgeschwindigkeiten verschiedener Materialien in der Lunge zu untersuchen. Es wurde eine Korrelation zwischen derartigen Laboruntersuchungen und der in vivo-Auflösung festgestellt. Es besteht allgemeine Übereinstimmung darin, daß derartige Labormessungen eine Aussagekraft für die in vivo-Situation besitzen. Eine derartige Technik wurde auf eine Anzahl von Glaszusammensetzungen, die typische Zusammensetzungsbereiche von Glasfaser-Isolationsmaterial überspannen, angewandt. Derartige Glaszusammensetzungen weisen im allgemeinen Auflösungsgeschwindigkeiten im Bereich von 50-300 ng/cm²-h auf.
  • Die verschiedenen Asbestmineralien weisen Auflösungsgeschwindigkeiten von weniger als 0,1 ng/cm²-h auf. Vorhandene Glasfasern weisen Löslichkeiten auf, die um ein Vielfaches größer sind. Die im vorliegenden Patent beschriebenen Gläser sind im Vergleich zu herkömmlichen Gläsern in physiologischen Salzlösungen signifikant besser löslich, wobei ihre wertvollen gewerblichen Eigenschaften erhalten bleiben. Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung Tabelle 1 Chemische Zusammensetzungen und vorhergesagte Eigenschaften von drei typischen Vergleichsgläsern für Glasfaser-Isolationsmaterial¹ log3-Viskositäts-Temperatur (ºC) Liquidus-Temperatur (ºC) Dauerhaftigkeit (%)² Auflösungsgeschwindigkeit³
  • ¹ Die Vorhersage der Eigenschaften beruht auf einer Computeranpassung von gemessenen Daten an zahlreiche Gläser verwandter Zusammensetzung.
  • ² %-Fasergewichtsverlust nach 1 Woche in destilliertem Wasser bei 96ºC.
  • ³ Geschwindigkeit des Gewichtsverlustes/Oberfläche (ng/cm²-h) in modellhafter physiologischer Kochsalzlösung bei 37ºC bei einer strömungsgeschwindigkeit von 0,2 ml/min.
  • Es ist nicht naheliegend, daß die Glasfaser-Auflösungsgeschwindigkeit verringert werden kann, während andere erforderliche Glaseigenschaften erhalten bleiben. Um die Faserbildung durch derzeit angewandte Verfahren zu ermöglichen, müssen die Glas-Liquidus-Temperatur und die Viskosität innerhalb eines recht engen Bereichs gehalten werden. Die Glasfasern müssen von ausreichender Dauerhaftigkeit sein, daß ihr physikalischer Bestand an der Stelle, an der sie angebracht werden, für viele Jahre gegeben ist. Die Liquidus-Temperatur und die Viskosität ergeben eine gewisse Beschränkung dahin gehend, inwieweit die Glaszusammensetzung verändert werden kann, wobei aber die Dauerhaftigkeit die stärkste Beschränkung bedingt. Das Glas muß gegenüber einem Feuchtigkeitsangriff an der Installationsstelle ausreichend inert sein, und sich aber in der Lunge rasch lösen. Da diese beiden Situationen einen Wasserangriff auf das Glas unter nahezu neutralen Säure-Base-Bedingungen beinhalten, stellt es einen überraschenden Befund dar, daß diese Forderung durch Modifikationen der Glaszusammensetzung erfüllt werden kann.
  • Die Erfindung besteht in der Modifikation von typischen Glasfaser-Isolationsmaterial-Zusammensetzungen durch eine Verringerung des Al&sub2;O&sub3;-Gehalts, gekoppelt mit einer Steigerung des B&sub2;O&sub3;-Gehalts. Im allgemeinen (jedoch nicht immer) wird auch der Na&sub2;O-Gehalt verringert. Dies bewirkt eine Erhöhung der Glasauflösungsgeschwindigkeit in physiologischer Kochsalzlösung ohne Abbau der Glasdauerhaftigkeit. Die Mengen weiterer wichtiger Oxide, wie SiO&sub2;, CaO, MgO und K&sub2;O werden zur Aufrechterhaltung der Viskosität, der Liquidus-Temperatur und anderer Glaseigenschaften entsprechend eingestellt. Spurenbestandteile im Glas haben keine signifikante Wirkung. Das Ausmaß, in dem die Glasauflösungsgeschwindigkeit ohne eine Beeinträchtigung oder Veränderung von anderen Glaseigenschaften erhöht werden kann, hängt von der Zusammensetzung des Ausgangsglases ab.
    • Industrielle Anwendbarkeit
  • Tabelle 2 enthält drei Beispiele, in denen das Verfahren auf die drei Zusammensetzungen von Tabelle 1 angewandt worden ist. In jedem Fall wurde die Auflösungsgeschwindigkeit möglichst weitgehend erhöht, ohne die übrigen physikalischen Glaseigenschaften zu verändern. Die Auflösungsgeschwindigkeiten konnten auf über 600 ng/cm²-h erhöht werden, ein Faktor, der das 3-8-fache der ursprünglichen Zusammensetzung von Tabelle 1 beträgt. Weitere Erhöhungen wären möglich, wenn gewisse Änderungen anderer physikalischer Eigenschaften zugelassen würden. Der Betrag der Steigerung hängt auch von der ursprünglichen Glaszusammensetzung ab.
  • Die Messung der Auflösungsgeschwindigkeiten von mehr als 50 unterschiedlichen Glasfaser-Zusammensetzungsmodifikationen hat zu einer Definition des Zusammensetzungsbereiches von Gläsern geführt, die sich zur Herstellung von Glasfaser-Isolationsmaterial eignen und deren Konstanten der Auflösungsgeschwindigkeit gegenüber typischerweise bei der Herstellung von Glasfaser-Isolationsmaterial verwendeten Gläsern signifikant erhöht sind. Für die Hauptkomponenten gilt folgender Bereich:
  • SiO&sub2; 61,0 bis 69,0
  • Al&sub2;O&sub3; 0,0 bis 1,9
  • CaO + MgO 7,9 bis 16,0
  • Na&sub2;O 9,0 bis 17,0
  • B&sub2;O&sub3; 8,7 bis 15,0
  • Derartige Gläser können typischerweise bis zu 3 % K&sub2;O, bis zu 3 % BaO und weniger als 1 % von einem oder sämtlichen der Bestandteile Fe&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub2; enthalten.
  • Folgender Bereich ist für die Hauptbestandteile bevorzugt:
  • SiO&sub2; 64,0 bis 68,0
  • Al&sub2;O&sub3; 0,6 bis 1,5
  • CaO + MgO 7,9 bis 10,0
  • Na&sub2;O 11,0 bis 16,0
  • B&sub2;O&sub3; 8,7 bis 12,0
  • Diese Gläser enthalten ferner typischerweise bis zu 3 % K&sub2;O, bis zu 3 % BaO und weniger als 1 % von allen oder sämtlichen der Bestandteile Fe&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub2;. Tabelle 2 Chemische Zusammensetzungen und vorausgesagte¹ Eigenschaften von drei typischen Gläsern mit hoher Auflösungsgeschwindigkeit mit Bildungseigenschaften und Dauerhaftigkeitseigenschaften ähnlich denen von Tabelle 1. log3-Viskositäts-Temperatur (ºC) Liquidus-Temperatur (ºc) Dauerhaftigkeit (%)² Auflösungsgeschwindigkeit³
  • ¹ Die Vorhersage der Eigenschaften beruht auf einer Computeranpassung von gemessenen Daten an zahlreiche Gläser verwandter Zusammensetzung.
  • %-Fasergewichtsverlust nach 1 Woche in destilliertem Wasser bei 96ºC.
  • ³ Geschwindigkeit des Gewichtsverlustes/Oberfläche (ng/cm²-h) in modellhafter physiologischer Kochsalzlösung bei 37ºC bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,2 ml/min.
  • Die Auflösungsgeschwindigkeiten der Gläser von Tabelle 2 sind auf über 600 mg/cm²-h erhöht, was im Vergleich zur ursprünglichen Zusammensetzung von Tabelle 1 eine 3- bis 8-fache Erhöhung bedeutet.

Claims (10)

1. Zu Fasern verarbeitbare Glaszusammensetzungen, die für isolationszwecke geeignet sind, bestehend im wesentlichen aus:
SiO&sub2; 61,0 bis 69,0
Al&sub2;O&sub3; 0,1 bis 1,9
CaO + MgO 7,9 bis 16,0
Na&sub2;O 9,0 bis 17,0
B&sub2;O&sub3; 8,7 bis 15,0
wobei der Rest aus bis zu 3 % K&sub2;O, bis zu 3 % BaO und weniger als 1 % von einem beliebigen oder sämtlichen der Bestandteile Fe&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub2; besteht, wobei die Gesamtmenge 100 Gew.-% beträgt.
2. Zu Fasern verarbeitbare Glaszusammensetzungen, die für Isolationszwecke geeignet sind, bestehend im wesentlichen aus
SiO&sub2; 64,0 bis 68,0
Al&sub2;O&sub3; 0,6 bis 1,5
CaO + MgO 7,9 bis 10,0
Na&sub2;O 11,0 bis 16,0
B&sub2;O&sub3; 8,7 bis 12,0
wobei der Rest aus bis zu 3 % K&sub2;O, bis zu 3 % BaO und weniger als 1 % von einem beliebigen oder sämtlichen der Bestandteile Fe2O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub2; besteht, wobei die Gesamtmenge 100 Gew. -% beträgt.
3. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 mit folgender Zusammensetzung:
SiO&sub2; 66,4
Al&sub2;O&sub3; 1,2
CaO 4,8
MgO 3,2
Na&sub2;O 12,9
K&sub2;O 0,2
B&sub2;O&sub3; 11,0
Fe&sub2;O&sub3; 0,1
TiO&sub2; 0,1
4. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 mit folgender Zusammensetzung:
SiO&sub2; 66,7
Al&sub2;O&sub3; 1,0
CaO 5,5
MgO 2,5
Na&sub2;O 13,9
K&sub2;O 0,2
B&sub2;O&sub3; 10,0
Fe&sub2;O&sub3; 0,1
TiO&sub2; 0,1
5. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 mit folgender Zusammensetzung:
SiO&sub2; 64,9
Al2O&sub3; 1,5
CaO 8,6
MgO 0,1
Na&sub2;O 12,5
K&sub2;O 0,3
B&sub2;O&sub3; 11,9
Fe&sub2;O&sub3; 0,1
TiO&sub2; 0,1
6. Glasfaser-Isolationsmaterial, enthaltend Natronkalk- Aluminoborosilicat-Glasfasern mit einer Glaszusammensetzung, die im wesentlichen besteht aus:
SiO&sub2; 61,0 bis 69,0
Al&sub2;O&sub3; 0,1 bis 1,9
CaO + MgO 7,9 bis 16,0
Na&sub2;O 9,0 bis 17,0
B&sub2;O&sub3; 8,7 bis 15,0
wobei der Rest aus bis zu 3 % K&sub2;O, bis zu 3 % BaO und weniger als 1 % von einem beliebigen oder sämtlichen der Bestandteile Fe&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub2; besteht, wobei die Gesamtmenge 100 Gew.-% beträgt.
7. Glasfaser-Isolationsmaterial, enthaltend Natronkalk- Aluminoborosilicat-Glasfasern mit einer Glaszusammensetzung, die im wesentlichen besteht aus:
SiO&sub2; 64,0 bis 68,0
Al&sub2;O&sub3; 0,6 bis 1,5
CaO + MgO 7,9 bis 10,0
Na&sub2;O 11,0 bis 16,0
B&sub2;O&sub3; 8,7 bis 12,0
wobei der Rest bis zu 3 % K&sub2;O, bis zu 3 % BaO und weniger als 1 % von einem beliebigen oder sämtlichen der Bestandteile Fe&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub2; besteht, wobei die Gesamtmenge 100 Gew. -% beträgt.
8. Glasfaser-Isolationsmaterial nach Anspruch 6 mit folgender Glaszusammensetzung:
SiO&sub2; 66,4
Al&sub2;O&sub3; 1, 2
CaO 4,8
MgO 3,2
Na&sub2;O 12,9
K&sub2;O 0,2
B&sub2;O&sub3; 11,0
Fe&sub2;O&sub3; 0,1
TiO&sub2; 0,1
9. Glasfaser-Isolationsmaterial nach Anspruch 6 mit folgender Glaszusammensetzung:
SiO&sub2; 66,7
Al&sub2;O&sub3; 1,0
CaO 5,5
MgO 2,5
Na&sub2;O 13,9
K&sub2;O 0,2
B&sub2;O&sub3; 10,0
Fe&sub2;O&sub3; 0,1
TiO&sub2; 0,1
10. Glasfaser-Isolationsmaterial nach Anspruch 6 mit folgender Glaszusammensetzung:
SiO&sub2; 64,9
Al&sub2;O&sub3; 1,5
CaO 8,6
MgO 0,1
Na&sub2;O 12,5
K&sub2;O 0,3
B&sub2;O&sub3; 11,9
Fe&sub2;O&sub3; 0,1
TiO&sub2; 0,1
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