DE69807821T2

DE69807821T2 - Glaszusammensetzungen für glasfasern mit hoher wärmeisolationseffizienz

Info

Publication number: DE69807821T2
Application number: DE69807821T
Authority: DE
Inventors: Alan Albers; Laverne Harding; Xiaojie Xu
Original assignee: Johns Manville International Inc
Current assignee: Johns Manville
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: DE69807821D1; US5932499A; EP0918734A1; CA2261133A1; EP0918734B1; WO1998057901A1; US6107224A; CA2261133C

Description

FACHGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Glaszusammensetzungen, die sich zur Verwendung beim Rotationsentstippen eignen, um Wärmeisolationsprodukte zu bilden. Insbesondere, betrifft die vorliegende Erfindung Glaszusammensetzungen, ein Verfahren zum Bilden von Glasfasern, die sich für Glasfaserisolationsprodukte daraus eignen, und die derart gebildeten Glasfaserisolationsprodukte.

BESCHREIBUNG VERWANDTER TECHNIK

Fiberglas, das durch Rotationsentstippen gebildet wird, kann auf verschiedenen Gebieten verwendet werden. Die Herstellung von Glasfaserisolationsprodukten ist ein Gebiet von großer Bedeutung. Außerdem können Glasfasern, die aus einem Rotationsentstippungsverfahren hervorgehen, als Verstärkung bei glasfaserverstärkten Kunstharzstoffen verwendet werden. Die GB 954 836 A behandelt Glaszusammensetzungen für Glasfasern für diese spezifische Verwendung. Dieser Druckschrift gemäß umfasst eine Glaszusammensetzung 45 bis 80 Gewichtsprozent Siliziumoxid, 3 bis 12 Gewichts¬ prozent Aluminiumoxid, 0 bis 8 Gewichtsprozent Kalziumoxid, 0 bis 5 Gewichtsprozent Magnesiumoxid, 4 bis 16 Gewichtsprozent Boroxid, 2 bis 14 Gewichtsprozent Natriumkarbonat, 0 bis 4 Gewichtsprozent Fluor und 0 bis 0,4 Gewichtsprozent Eisenoxid. Das Glas dieser Zusammensetzung soll einen Brechungsindex von zwischen 0,49 und 0,51 aufweisen, so dass die Glasfaserverstärkung entweder im Harzglasprodukt unsichtbar ist, oder falls sie im Harz sichtbar ist, ein angenehmes Aussehen bereitstellt.
Eine gewaltige Tonnage von Glasfaserisolationsprodukten wird jährlich in der Bauindustrie verwendet. Eine derartige Isolation ist seit Jahrzehnten verfügbar gewesen, und ist in verschiedenen Nenndicken, die von dem gewünschten Isolationsgrad abhängig sind, erhältlich. Viele Qualitätsverbesserungen der Wärmeisolation sind in den letzten Jahren vorgenommen worden, wovon sich viele um kommerziell wünschenswerte Eigenschaften, wie etwa die Kompressionserholung, drehten. Da es sich um ein Produkt niedriger Dichte handelt, wäre Glasfaserisolation extrem kostspielig zu transportieren, gäbe es nicht die Möglichkeit, die Glasfaserisolation in Form von Platten oder Rollen zu komprimieren und das Fiberglas am Arbeitsort seine ursprüngliche Dicke wiedererlangen zu lassen. Zahlreiche Änderungen der beteiligten Glasarten, Verfahren um Glasfasern in Rollen und Platten zu formen und Änderungen an den bei diesen Produkten verwendeten Vollbindersystemen haben zu hohen Kompressionserholungsraten geführt. Bezüglich der Wärmeisolationseffizienz wurden jedoch Kriterien wie Produktdichte, Faserverteilung, Faserdurchmesser und ähnliches eine Zeit lang recht gut entwickelt, und deshalb wurde bei der Wärmeisolationseffizienz dieser Produkte in den letzten Jahren kaum eine bedeutende Verbesserung erzielt.
Ein weiterer Gesichtspunkt, der kürzlich an Bedeutung gewonnen hat, ist die biologische Abbaubarkeit der Glasfasern. Dahinter steht, dass man davon ausgeht, dass das Risiko, dass eingeatmete Fasern eine schwere Krankheit hervorrufen, mit der Zeit zusammenhängt, während der die eingeatmeten Fasern in der Lunge bleiben. Die US 5,523,264 A und die US 5,523,265 A, sowie die WO 95/32 925 A, schlagen spezifische Glaszusammensetzungen und daraus durch Rotationsentstippen hergestellte Fasern vor, wobei die Fasern einen relativ hohen biologischen Abbaubarkeitsgrad aufweisen. Gemäß der US 5,523,264 A verteilen sich die Hauptbestandteile wie folgt: 45 bis 60 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 0 bis 3 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3;, 7 bis 14 Gewichtsprozent CaO + MgO, 14 bis 22 Gewichtsprozent Na&sub2;O + K&sub2;O und 8 bis 20 Gewichtsprozent B&sub2;O&sub3;, wobei die Gläser bis zu 3% BaO und weniger als 0% eines oder aller der folgenden Elemente enthalten können: Fe&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SrO oder SO&sub3;. Die US 5,523,265 A schlägt folgende Zusammensetzung vor: 45 bis 60 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 0 bis 3 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3;, 0,20 Gewichtsprozent B&sub2;O&sub3;, 12 bis 22 Gewichtsprozent Na&sub2;O + K&sub2;O, 0 bis 14 Gewichtsprozent MgO + CaO, 2 bis 35 Gewichtsprozent BaO, wobei weniger als ungefähr 10% eines oder aller der folgenden Elemente vorhanden sein kann: ZnO, TiO&sub2;, Fe&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, SrO oder Li&sub2;O. Gemäß der WO 95/32 925 soll eine Glaszusammensetzung folgendes umfassen: 50 bis 66 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 0 bis 2 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3;, 10 bis 60 Gewichtsprozent CaO + MgO, 14 bis 19 Gewichtsprozent Na&sub2;O + K&sub2;O, 7 bis 16 Gewichtsprozent B&sub2;O&sub3;, 0 bis 4 Gewichtsprozent TiO&sub2;, 0 bis 5 Gewichtsprozent ZrO&sub2;, 0 bis 5 Gewichtsprozent ZnO, 0 bis 4 Gewichtsprozent MnO, 0 bis 5 Gewichtsprozent BaO, 1 bis 6 Gewichtsprozent TiO&sub2;, ZrO&sub2;, ZnO, MnO und BaO, 0 bis 2 Gewichtsprozent Fe&sub2;O&sub3; und SrO, 0 bis 2 Gewichtsprozent F und Li&sub2;O, 0 bis 4 Gewichtsprozent P&sub2;O&sub5;.
Obwohl die drei oben genannten Druckschriften nach dem Stand der Technik ausdrücklich Glasfasern für Isolationszwecke betreffen, findet man dort keine ausführliche Besprechung des Wärmeaustauschmechanismus durch ein Glasfaserisolationsprodukt.
Es gibt vier Wärmeaustauschmechanismen durch ein Glasfaserisolationsprodukt: Strahlung, Luftleitung, Glasleitung und Luftströmung. Die Luftleitfähigkeit bei jeder Faserisolation kann als Konstante angesehen werden; der Beitrag zur Wärmeleitung durch die Fasern selber ist bei den meisten Isolationsmitteln niedriger Dichte minimal; und die Beseitigung der Luftströmung ist eine Grundvoraussetzung für jede vernünftige Isolation. Der Strahlungswärmeaustausch, der ungefähr 40% des gesamten Wärmeverlusts durch ein typisches Glasfaser-Bauisolationsprodukt niedriger Dichte darstellt, ist somit der einzige Mechanismus, der eine Möglichkeit bietet, die Wärmeisolationseffizienz wesentlich zu verbessern.
Obwohl die drei oben genannten. Druckschriften spezifisch Glasfasern für Isolationszwecke behandeln, erwähnen sie den Strahlungswärmeaustausch und seinen größeren Beitrag zum Gesamtwärmeverlust durch typische Glasfaser-Bauisolationsprodukte niedriger Dichte überhaupt nicht.
Die Kriterien, welche den Strahlungswärmeverlust einer typischen Glasfaserisolation niedriger Dichte beeinflussen, sind die Produktdichte, die Qualität des Glasfaserisolationsprodukts und die chemische Zusammensetzung des Glases. Eine Steigerung der Produktdichte kann den Strahlungswärmeverlust wesentlich reduzieren. Steigerungen der Dichte bringen jedoch einen erheblichen Nachteil mit sich, nicht nur durch höhere Produktionskosten und niedrigere Produktionsraten, sondern auch durch Transportkosten. Die Produktqualitäten, welche die Wärmeisolationseffizienz beeinflussen, sind hauptsächlich der Faserdurchmesser, die Faserorientierung und die Faserverteilung. Produkte, die aus gleichmäßig dünnen Fasern hergestellt werden, die Orientierungen aufweisen, die mehr rechtwinklig zum Temperaturgradienten stehen, sind wirksamer beim Blockieren des Strahlungswärmeaustauschs. Derartige Faserorientierungen führen jedoch zu Produkten, die nicht das erwünschte Volumen aufweisen. Die optischen Konstanten des Glases, die von seiner chemischen Zusammensetzung abhängig sind, beeinflussen ebenfalls die Blockierung des Strahlungswärmeaustauschs. Gläser mit höheren optischen Konstanten, d. h. größeren Brechungs- und Absorptionsindizes im Infrarotbereich, welcher der Umgebungstemperaturstrahlung entspricht, werden die Wärmestrahlung effektiver streuen und/oder absorbieren als Gläser mit niedrigeren Brechungs- und Absorptionsindizes in diesem Bereich.
Die Wärmeabgabe durch Umgebungstemperaturstrahlung weist ein Spektrum auf, in dem die abgestrahlte Energie hauptsächlich in dem Wellenlängenbereich von 2,5 um bis 60 um liegt. Der Bereich, der für Isolationsprodukte von Bedeutung ist, ist etwas enger, nämlich von ungefähr 4 um bis ungefähr 40 um, worin die Strahlungsenergiedichte höher als ungefähr 5 Prozent der Höchstabgabe ist, die bei ungefähr 9,7 um auftritt. Um deshalb die Isolationseffizienz zu verbessern, muss die Glaszusammensetzung höhere optische Konstanten im Infrarotbereich von 4 bis 40 um aufweisen. Es ist jedoch zu betonen, dass eine bloße Steigerung der Konstanten keine zufriedenstellende Lösung darstellt. Um kommerziell brauchbar zu sein, muss das Glas auch die Fähigkeit behalten, durch gewöhnliche Entstippungsverfahren leicht entstippbar zu sein.
Wenn es möglich wäre, Glaszusammensetzungen zu identifizieren, die ihre Fähigkeit behalten, leicht in gleichmäßig verteilte dünne Fasern entstippbar zu sein, und dabei hohe Absorptions- und Streuungseffizienz im Infrarotbereich bei Umgebungstemperatur aufweisen, könnten derartige Glaszusammensetzungen gewaltige Vorteile sowohl für den Hersteller als auch für den Verbraucher von Isolationsprodukten verbinden. Die Vorteile, die durch höhere Absorptions- und/oder Streuungsfähigkeiten im Infrarotbereich von 4 bis 40 um erhalten werden, setzen voraus, dass die Glaszusammensetzungen zu vernünftigen Chargenkosten hergestellt werden können, sonst werden die wirtschaftlichen Vorteile, welche die erhöhte Wärmeeffizienz bietet, durch höhere Rohmaterialkosten aufgehoben. Die höhere Wärmeeffizienz ermöglicht es dem Hersteller, die Produktdichte zu reduzieren, um vergleichbare Isolationseffizienz zu erzielen, was bei dem gebräuchlichen Produktionsvolumen unmittelbar zu einer Kostenreduzierung führt. Ein höheres Produktionsvolumen von gebräuchlichen Einrichtungen kann durch die Verbesserung der Produktivität erzielt werden, die sich aus der niedrigeren Produktdichte ergibt. Als andere Möglichkeit kann bei demselben Produktionsvolumen ein Produkt mit höherer Wärmeeffizienz produziert werden, ohne die Nenndicke oder Dichte der Isolation zu erhöhen.
Es ist absolut notwendig, dass die Glaszusammensetzung zusätzlich dazu, dass sie höhere optische Konstanten im Infrarotbereich von 4 bis 40 um aufweist, auch zu einer wirtschaftlichen Produktion gleichmäßig verteilter dünner Fasern fähig sein muss. Zu diesem Zweck wird allgemein das Rotationsentstippungsverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein Fluss aus geschmolzenem Glas einer schnell drehenden Scheibe zugeführt, um deren Umfang herum sich eine Vielzahl von Entstippungsöffnungen befinden. Während sich die Scheibe schnell dreht, werden Glasfaserstränge, die allgemein Durchmesser von 30 um bis 200 um aufweisen, schnell von der Trennschleuder abgeworfen. Nachdem sie die Trennschleuder verlassen haben, stoßen die Stränge auf einen nach unten gehenden Hochgeschwindigkeitsstrahl aus heißem Gas- oder Luft, der die Fasern schnell zu Fasern mit sehr kleinem Durchmesser abschwächt, die notwendig sind, um Wärmeisolationsprodukte herzustellen. Die abgeschwächten Fasern gehen durch ein Formrohr und von dort auf ein bewegliches, mit Löchern versehenes Förderband. Vor und/oder nach dem Ansammeln auf dem Förderband werden die Glasfasermittel allgemein mit einer oder mehreren Trägerharzlösungen besprüht, die dazu beitragen, die Isolation zu festigen, und einen Mechanismus für die Wiedererlangung der Dicke nach dem Zusammendrücken während Transport und Lagerung bereitstellen.
Bei dem Rotationsentstippungsverfahren ist es wichtig, dass die HTV (Hochtemperaturviskosität) eine Temperatur aufweist, die zur Verwendung bei dem Rotationsverfahren ohne übermäßige Korrosion oder Erosion der Trennschleuder durch das geschmolzene Glas geeignet ist. Die HTV ist allgemein als die Temperatur definiert, bei der die Glasviskosität 10³ dPa·s (Poise) erreicht. Das Entstippen erfolgt allgemein in der Nähe der HTV. Bei dem bevorzugten Rotationsverfahren soll die HTV zwischen ungefähr 940ºC bis 1000ºC (1720ºF bis ungefähr 1840ºF) liegen. Einige Rotationsverfahren können etwas höhere HTVs verwenden. Um außerdem die Kristallisation des Glases in Schmelzofen, Vorherd oder Scheibe zu vermeiden, muss die Liquidustemperatur, die Temperatur, bei der die Glaskristallisation erfolgen kann, mindestens 44 K (80ºF) unterhalb der HTV und bevorzugt niedriger sein.
Man hat infrarotabsorbierendes Glas durch die Dotierung von Übergangsmetalloxiden in Glas hergestellt, um die Infrarotabsorption zu erhöhen. Dieses Verfahren, z. B. die Verwendung von Eisenoxiden als Dotierungssubstanz, eignet sich jedoch nur im Nahinfrarotbereich (1 bis 4 um). Für den Infrarotbereich von 4 bis 40 um, d. h. welcher der Umgebungstemperaturstrahlung entspricht, wo die Isolation sehr wirksam sein muss, hat sich die Dotierung mit Übergangsmetall nicht als nützlich erwiesen. Es ist ebenfalls möglich, die optischen Konstanten eines Glases im Infrarotbereich von 4 bis 40 um durch Verändern der Schwingungsarten des Glasnetzwerkes zu erhöhen. Um die optische Konstante eines auf Silikat basierenden Glases im Infrarotbereich von 4 bis 40 um weiter zu steigern, besteht beispielsweise ein Verfahren darin, die Netzkonzentration der Glasnetzwerkbildner zu erhöhen. Jedoch ist die Anteilserhöhung der typischen Glasnetzwerkbildner, wie etwa Siliziumdioxid, dem grundlegenden Bestandteil von Silikatgläsern, oder Aluminiumoxid, allgemein mit einer wesentlichen Steigerung der Glasviskosität verbunden, die das Glas für das Schmelzen und Entstippen durch gebräuchliche Verfahren ungeeignet macht. Das Hinzufügen von Phosphat (P&sub2;O&sub5;) zu einem Silikatglas ergibt normalerweise eine Phasentrennung und Entglasung, besonders in Gegenwart von erheblichen Kalziumoxidmengen, wie es bei den meisten handelsüblichen Glaszusammensetzungen der Fall ist.
In dem Artikel "Influence Of The Chemical Composition Of Glass On Heat Transfer Of Glass Fiber Isolations In Relation To Their Morphology And Temperature Of Use", C. Langlais u. a., FUNDAMENTAL GLASS MANUF. PROCESS 1991, wurde gezeigt, dass die Erhöhung des Boranteils der Gläser eine Steigerung der Fähigkeit des Glases, Infrarotstrahlungswärme im Infrarotbereich zu absorbieren und/oder zu streuen, ergibt. Die Steigerung der Absorptions- und/oder Streuungsfähigkeit wurde jedoch auf einen relativ geringen Boranteil beschränkt; bei einem Boranteil von mehr als 7% wurde keine weitere Steigerung gezeigt. Außetdem wiesen die beschriebenen Gläser hohe HTVs auf und sind somit zur Verwendung bei den bevorzugten Rotationsentstippungsverfahren nicht geeignet.
Obwohl geringe Chargenkosten, Entstippungsfreundlichkeit und hohe Wärmeeffizienz bei Glasfaserisolationsprodukten erwünscht sind, ist auch hohe Biolöslichkeit erwünscht. Z. B. während der Handhabungsvorgänge, die mit der Installation von Glasfaserisolationsprodukte verknüpft sind, kann es zum Einatmen oder Aufnehmen von Glasfasern kommen. Da die biologischen Transportmechanismen im Allgemeinen derartige Fasern nicht wirksam aus dem Körper entfernen können, ist es notwendig, dass diese Fasern schnell durch biologische Flüssigkeiten aufgelöst werden. Die relative Löslichkeit von Glasfaserisolationsfasern kann man beurteilen, indem man die Bioauflösungsgeschwindigkeit in simulierter Außenzellflüssigkeit misst. Es ist wünschenswert, dass derartige Fasern eine wie oben beschrieben gemessene Bioauflösungsgeschwindigkeit von mindestens 300 ng/cm²·Std. aufweisen. Obwohl hohe Bioauflösungsgeschwindigkeiten erwünscht sind, ist gleichzeitig auch hohe Feuchtebeständigkeit erforderlich. Da die Glasfasern allgemein in Umgebungen mit erheblichen Feuchtigkeitsmengen verwendet werden, kann die Adsorption von Wasserdampf aus der Luft oder einer anderen Umgebung die Festigkeit der Fasern reduzieren, so dass sie leicht brechen, wenn sie beansprucht werden. Wie man sich vorstellen kann, sind hohe Bioauflösungsgeschwindigkeiten und hohe Feuchtebeständigkeit im Allgemeinen widersprüchliche Ziele.
Es wäre deshalb wünschenswert, Glaszusammensetzungen bereitzustellen, die sich für das Rotationsentstippen mit gebräuchlichen Einrichtungen eignen, die jedoch Glasfasern mit verbesserten optischen Konstanten im Infrarotbereich von 4 bis 40 um ergeben, um die Gesamtstrahlungslöscheffizienz bei Umgebungstemperatur zu erhöhen. Es wäre ferner wünschenswert, derartige Glaszusammensetzungen mit Chargenkosten bereitzustellen, die nicht dazu führen, einen wesentlichen wirtschaftlichen Nachteil zu erleiden. Es wäre ferner auch wünschenswert, derartige Glaszusammensetzungen bereitzustellen, die nicht nur annehmbare oder hervorragende Feuchtebeständigkeit sondern auch ausgezeichnete Bioauflösungsgeschwindigkeiten aufweisen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die oben genannten Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 definierte Glaszusammensetzung erfüllt. Anspruch 10 definiert ein Verfahren zur Aufbereitung von Einglas-Glasfaserisolationsprodukten gemäß der vorliegenden Erfindung. Und Anspruch 13 betrifft ein derartiges erfindungsgemäßes Einglas-Glasfaserisolationsprodukt.
Überraschenderweise hat man entdeckt, dass Glaszusammensetzungen mit ausgezeichneter Infrarotabsorptions- und Streuungseffizienz im Infrarotbereich von 4 bis 40 um aus Kalknatron-Borsilikat-Gläsern mit hohem Boroxidanteil und einer geringer Konzentration von Alkalierdmetalloxiden hergestellt werden können. Diese Gläser weisen HTVs auf, die sich für das Rotationsentstippen eignen, bevorzugt im Bereich von 940ºC bis 1000ºC (1720ºF bis 1840ºF), und weisen Liquidustemperaturen auf, die tief genug unter der HTV liegen, um die Herstellung von Faserisolationsprodukten durch das Rotationsverfahren zu ermöglichen. Die Glasfaserisolationsprodukte, die aus diesen Gläsern zubereitet werden, weisen sehr geringe Wärmeleitfähigkeiten auf, wie es der Vergleich der Wärmeisolationseffizienzen der aus den betreffenden Gläsern hergestellten Isolationsprodukte mit ansonsten ähnlichen, aus anderen Gläsern hergestellten Produkten angibt. Zudem weisen diese Gläser nicht nur hohe Feuchtebeständigkeit sondern auch ausgezeichnete Biolöslichkeit auf, wie sie durch die Bioauflösungsgeschwindigkeit in simulierter Außenzellflüssigkeit gemessen wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eignen sich zur Verwendung bei dem Rotationsentstippungsverfahren und sind in der Lage, sehr dünne und gleichmäßig verteilte Fasern zu ergeben, wie solche, die sich für Glasfaserisolationsprodukte eignen. Geeignete Gläser weisen bevorzugt eine HTV [10³ dPa·s (Poise)] im Bereich von ungefähr 940ºC bis 1000ºC (1720ºF bis 1840ºF) auf. Die Liquidustemperaturen sind um 44 K (80ºF), und bevorzugt um 83 K (150ºF) oder mehr, niedriger als die HTV.
Die Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können dadurch gekennzeichnet sein, dass sie in Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht aller Bestandteile bezogen von 50 bis 60% SiO&sub2;, 3 bis 6% Al&sub2;O&sub3;, 2 bis 9% CaO, 1 bis 7% MgO, 14 bis 19% B&sub2;O&sub3;, 10 bis 15% Na&sub2;O, 0 bis 3% K&sub2;O und 0 bis 2% F&sub2; enthalten. Zusätzlich zu diesen Grundinhaltsstoffen können die Gläser wahlweise von 0 bis 4% TiO&sub2;, 0 bis 4% ZrO&sub2;, 0 bis 3% BaO und 0 bis 4% ZnO enthalten. Es eignen sich Phosphatmengen unter einer Höhe, die zu Phasentrennung und/oder Entglasung führen würde. Weitere wählbare Inhaltsstoffe umfassen Übergangsmetalloxide, insbesondere Fe&sub2;O&sub3;, die falls gewünscht hinzugefügt werden können, um die Absorptions- und Brechungsmerkmale des Glases im Nahinfrarotbereich (1 bis 4 um) zu steigern. Nahinfrarotabsorptions- und Brechungsmerkmale sind jedoch für handelsübliche Gebäudeisolation nicht notwendig.
Die wählbaren Inhaltsstoffe und alle zusätzlichen hier nicht aufgeführten Inhaltsstoffe können nur in Mengen hinzugefügt werden, welche die erwünschten Glasmerkmale nicht materiell ändern. In dieser Hinsicht sind die erwünschten Merkmale der HTV-Bereich; eine Liquidustemperatur, die um die offenbarten Mengen unterhalb der HTV-Temperatur liegt, ein Strahlungswärmelöschkoeffizient bei Umgebungstemperatur von mehr als 0,1139 und eine Bioauflösungsgeschwindigkeit in simulierter Außenzellflüssigkeit von mehr als 300 ng/cm²·Std.. Besonders bevorzugt beschränken sich die grundlegenden Glasinhaltsstoffe auf SiO&sub2;, B&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3;, CaO, MgO, Na&sub2;O, K&sub2;O und F&sub2;. Die Standard-, bevorzugten und besonders bevorzugten Bereiche sind in der nachstehenden Tabelle 1 dargelegt. TABELLE 1 Zusammensetzung in Gewichtsprozent¹
¹ Die Summe aller Gewichtsprozente darf nicht 100% im eigentlichen Glas übersteigen.
² Li&sub2;O und BaO werden im Allgemeinen nicht bevorzugt (fehlen), falls vorhanden sollen ihre Gewichtsprozente, wenn sie zu den Gewichtsprozenten anderer ähnlicher Oxide hinzugerechnet werden, nicht die Summen für diese anderen Oxide überschreiten.
³ Fe&sub2;O&sub3; steht auch für andere Eisenoxide, z. B. FeO, Fe&sub3;O&sub4;, usw..
&sup4; MxOy steht für ein anderes Übergangsmetall oder inneres Übergangsmetalloxide als Eisenoxid.
Die US-Patentschrift Nr. 5,536,550 beschreibt die Herstellung von gekräuselten Bikomponentenglasfasern durch Co- Entstippen zweier unterschiedlicher Gläser mit Wärmeexpansionskoeffizienten (CTE), die unterschiedlich genug sind, so dass nach dem Abkühlen die interne Beanspruchung, die durch die Unterschiede der CTEs der Gläser hervorgerufen wird, die abgeschwächten Fasern zum Kräuseln bringt. Um die unterschiedlichen CTEs zu erzeugen, werden verschiede chemische Glaseigenschaften verwendet.
Bei der vorliegenden Erfindung können einzelne Glasfasern durch das Rotationsverfahren aufbereitet werden, die wegen der höheren Gesamtwärmelöscheffizienten, die man erhalten kann, ohne dass es nötig wäre, verschiedene Gläser mit unterschiedlichen CTEs bereitzustellen, hohe Isolationseffizienz aufweisen. Die Gläser, die sich für die Aufbereitung oder für Einglas-Faserisolationsprodukte eignen, entsprechen denen, welche die Standardzusammensetzung aufweisen, und zwar in Gewichtsprozent von 50 bis 60% SiO&sub2;, 3 bis 6% Al&sub2;O&sub3;; 14 bis 19% B&sub2;O&sub3;; 8 bis 16% Na&sub2;O; 0 bis 3% K&sub2;O; 2 bis 9% CaO; und 1 bis 7% MgO. Zusätzliche Inhaltsstoffe können in kleineren Mengen hinzugefügt werden, wie für die zuvor offenbarten Glaszusammensetzungen beschrieben. Der Begriff "Einglas" bedeutet, dass nur ein Glas der Trennschleuder des Rotationsentstippers zugeführt wird.
Nachdem die Erfindung allgemein beschrieben wurde, kann man ein weiteres Verständnis mit Bezug auf gewisse spezifische Beispiele erlangen, die nur zur Erläuterung bereitgestellt werden und nicht einschränkend sein sollen, falls nicht anders angegeben. Bei den nachstehenden eigentlichen Versuchsbeispielen wurden physikalische und physikochemische Parameter, falls nicht anders angegeben, durch herkömmliche Verfahren gemessen.
Das zur Beurteilung der Bioauflösungsgeschwindigkeit verwendete Verfahren ist dem ähnlich, das bei Law u. a. (1990) beschrieben wird. Das Verfahren besteht im Wesentlichen darin, eine 0,5 Gramm-Aliquote der anstehenden Fasern zu einer künstlichen physiologischen Flüssigkeit, Gamblesche Flüssigkeit genannt, oder einer künstlichen Außenzellflüssigkeit (SEF) (simulierte physiologische Flüssigkeit) bei einer Temperatur von 37ºC und einer Geschwindigkeit, die angepasst ist, um ein Durchfluss/Oberflächen-Verhältnis von 0,02 cm/Std. bis 0,04 cm/Std. für einen Zeitraum von bis zu 1000 Stunden zu erhalten, auszulaugen. Die Fasern werden in einer dünnen Lage zwischen 0,2 um-Polykarbonatfiltermitteln, die durch ein Kunststoffträgergitter verstärkt waren, gehalten, und die gesamte Anordnung wird in eine Polykarbonatprobezelle gelegt, durch welche die Flüssigkeit gefiltert werden kann. Der pH-Wert der Flüssigkeit wird durch Verwendung eines Überdrucks von 5% CO&sub2;/95% N&sub2; durch das ganze Flusssystem auf 7,4 + 0,1 reguliert.
Die Flächenanalyse, welche die induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopie (ICP) der Flüssigkeitsproben, die zu bestimmten Zeitabständen entnommen werden, verwendet, wird verwendet, um die Gesamtmasse des aufgelösten Glases zu berechnen. Aus diesen Daten konnte eine Gesamtgeschwindigkeitskonstante für jeden Fasertyp nach folgender Beziehung berechnet werden:
kdis = [doρ(1 - M/Mo)0,5])/2t,
wobei kdis die Auflösungsgeschwindigkeitskonstante in SEF ist, do der ursprüngliche Faserdurchmesser, ρ die ursprüngliche Dichte des die Faser umfassenden Glases, Mo die ursprüngliche Fasermasse, M die endgültige Fasermasse (M/Mo = der restliche Massenanteil), und t die Zeit, während der die Daten entnommen werden. Die Einzelheiten der Ableitung dieser Beziehung werden bei Leineweber (1982) und Potter und Mattson (1991) gegeben. Die Werte für kdis können in ng/cm²·Std. aufgezeichnet werden und überschreiten bevorzugt einen Wert von 50. Wiederholte Durchgänge für mehrere Fasern in einem bestimmten Probensatz zeigen, dass die k- Werte innerhalb von 3 Prozent für eine bestimmte Zusammensetzung kohärent sind. Die von dieser Beurteilung erhaltenen Daten können effektiv innerhalb des gewählten Probensatzes korreliert werden - die Auflösungsdaten, die verwendet werden, um kdis-Werte abzuleiten, wurden nur von Versuchsproben mit gleichmäßigem Durchmesser (3,0 um) und unter identischen Bedingungen der ursprünglichen Probenoberfläche pro Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit und Probendurchlässigkeit erhalten. Es wurden Daten von Durchgängen von bis zu 30 Tagen erhalten, um eine genaue Darstellung der Langzeitauflösung der Fasern zu erlangen.
Die Strahlungswärmelöscheffizienz bei Umgebungstemperatur kann anhand der Gleichungen der MIE-Streuungstheorie auf der gemessenen optischen Konstanten des Rohglases im Infrarotbereich von 2,5 bis 25 um basierend berechnet werden. Die MIE-Gleichungen berechnen die Löscheffizienz der Fasern auf ihren Durchmessern, der Wellenlänge der Strahlungswärme und den optischen Eigenschaften des bei der Faserherstellung verwendeten Glases basierend, im Wesentlichen wie bei C. Langlais u. a., FUNDAMENTAL GLASS MANUF. PROCESS, 1991, Seite 3 bis 11 (1991) dargelegt, hiermit zum Zwecke der Bezugnahme übernommen. Für die Messung der optischen Konstanten wird ein Probestück Rohglas in eine rechteckige Form in einer Größe von ungefähr 25 mm · 25 mm · 5 mm zugeschnitten, wobei eine lange Seite poliert war. Das regelmäßige Reflexionsvermögen im Infrarotbereich von 2,5 bis 25 um wird an mehreren verschiedenen Reflexionswinkeln und Polarisationen mit einem Standard-FTIR-Instrument gemessen. Die optischen Konstanten (n + ik, wobei n und k jeweils die Brechungs- und Absorptionsindizes sind) werden von dem gemessenen Reflexionsvermögen anhand der Fresnelschen Reflexionsgleichungen abgeleitet.
Nachstehend wird das Verfahren zur Berechnung einer "Gesamtlöscheffizienz" beschrieben, das verwendet wird, um die erwartete Wärmeleistung des Faserglases zu vergleichen. Die Löscheffizienz (Q) einer Glasfaser mit einem bestimmten Durchmesser kann bei einer bestimmten Strahlungswellenlänge berechnet werden, wenn die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorptionsindex oder zusammengesetzter Brechungsindex m = n + ik) bei dieser Wellenlänge bekannt sind. Anhand der MIE-Streuungsgleichungen ist diese Effizienz das Verhältnis des Lösch-"Querschnitts" zum geometrischen Querschnitt der Faser. Um die ansonsten recht komplizierten Berechnungen zu vereinfachen, wird nur die normale einfallende Strahlung in Betracht gezogen, und ein neutraler Mittelwert des Einfallvektors des elektrischen Feldes sowohl rechtwinklig als auch parallel zur Faserebene wird verwendet, um Q zu berechnen. Die MIE-Gleichungen für Fasern findet man in vielen Texten, wie etwa THE SCATTERING OF LIGHT AND OTHER ELECTROMAGNETIC RADIATION von Kerker (1969) in Kapitel 6 oder ABSORPTION AND SCATTERING OF LIGHT BY SMALL PARTICLES von Bohren und Huffman (1983) in Kapitel 8.
Faserisolationen werden normalerweise angesichts ihrer Leistung bei "Umgebungstemperatur" (24ºC) ausgelegt. Bei jeder beliebigen Temperatur gibt es eine Verteilung der vom Wärmeaustausch betroffenen Strahlungswellenlängen. Diese Wellenlängen werden durch die Plancksche Verteilung, oder "Schwarzkörper"-Kurve, gegeben. Deshalb muss die Effizienz, Q, über die Wellenlängen der Planckschen Verteilung bei einer Durchschnittstemperatur der Isolation integriert werden.
Q(d, λ, m)Wλδλ
Bei diesem Integral Wλ ist das Plancksche Emissionsvermögen eine Funktion der Strahlungswellenlänge. Zudem gibt es viele verschieden große Fasern bei einer Isolation und jede wirkt auf ihre eigene Art und Weise mit der Strahlung zusammen. Deshalb muss die Integration über die Durchmesser dieser Verteilung, N(d), erfolgen. Bei dem Modell wird angenommen, dass die Verteilung der Faserdurchmesser eine Gausssche Verteilung von Fasern mit einem Durchschnittsdurchmesser von 3,00 um und einer FWHM ("Full Width at the Half Maximum" = Halbwertsbreite) = 0,50 um ist.
Q(d, λ, m)N(d)δλδd
Bei der Verwendung dieser Gleichungen, um verschiedene Gläser zu vergleichen, ist es wichtig, eine gewisse Standardisierung vorzunehmen. Zuerst sollte man das Emissionsvermögen der Planckschen Verteilung standardisieren, indem man sie durch das maximale Emissionsvermögen bei dieser Temperatur teilt. Zudem, da es erwünscht ist, die Leistung der Faser für jedes verwendete Pfund Glas zu optimieren, muss der Ausdruck pro Glasvolumen standardisiert werden. Dies führt dann zu folgendem Ausdruck für eine "Gesamtlöscheffizienz".
Die gesamte Strahlungswärme-Löscheffizienz kann auch durch andere Techniken gemessen werden und kann auf die hier angegebenen Werte durch das Verhältnis des für das Glas des Vergleichsbeispiels C1 gemessenen Wertes zu dem für dieses Glas durch die oben genannte Technik gemessenen Wert, 0,1139, standardisiert werden.
Die Wärmeeffizienz eines Isolationsprodukts kann durch zahlreiche Techniken gemessen werden. Im Allgemeinen sind Vergleichsmessungen notwendig, um die Wärmeeffizienz eines aus einem Glas zubereiteten Isolationsprodukts mit der Wärmeeffizienz eines aus einem zweiten Glas zubereiteten Isolationsprodukts in Zusammenhang zu bringen. Um die Verbesserungen, die auf die Glaszusammensetzung und die dazugehörige Änderung der Absorptions- und Brechungsindizes im Infrarotbereich von 4 bis 40 um zurückzuführen sind, entsprechend zu beurteilen, kann man zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeiten zweier ansonsten ähnlicher Faserglasisolationsprodukte mit gleicher Dichte, Fasergröße, usw. vergleichen. Die erfindungsgemäßen Gläser weisen im Vergleich zu Standard-Isolationsprodukten hervorragende Wärmeeffizienzen auf.
Der Einfluss von Feuchtigkeit auf die Fasern der Glasfaserisolationsprodukte kann durch zahlreiche Techniken gemessen werden. Z. B. hat R. J. Charles, J. APPL. PHY., 2, 1657 (1958), hiermit zum Zwecke der Bezugsnahme übernommen, gezeigt, dass wenn man von einer langsamen Rissausbreitung bei Beanspruchung ausgeht, der Hauptversagensmechanismus für Faserprodukte in einer feuchten Umgebung, der sogenannte "Dauerbeständigkeitsparameter", N, als Anzeiger verwendet werden kann, um die Feuchtebeständigkeit der Glasfasern zu beurteilen. Der Einfluss der Zeit auf die Festigkeit der Glasfasern, die in einer feuchten Umgebung gehalten werden, wird bestimmt, indem man die Bruchfestigkeit bei verschiedenen Belastungsraten misst. Es ist ersichtlich, dass die Daten in folgende Gleichung passen:
wobei s die durchschnittliche Festigkeit, b die Belastungsrate, K eine Konstante und N der Dauerbeständigkeitsparameter ist. Hohe Werte für N entsprechen einer guten Beständigkeit gegen verzögertes Brechen der Glasfasern, wenn sie Beanspruchung-Feuchtigkeit-Temperatur ausgesetzt werden. Die Feuchtebeständigkeit kann auch mit anderen Techniken gemessen werden.

Beispiel 1 bis 9

Die Beispiele 1, 3, 5 und 8 sind stellvertretend für Glaszusammensetzungen, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die Beispiele 2, 4, 6, 7 und 9 sind Bezugsbeispiele. Es wurden Gläser durch herkömmliche Glasaufbereitungs- und verfeinerungstechniken aufbereitet. Die HTV [10³ dPa·s(Poise)] und die Liquidustemperaturen wurden durch Standardverfahren gemessen. Die Zusammensetzungen sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt. Es hat sich herausgestellt, dass alle Gläser HTVs im Bereich von 940ºC bis 1000ºC (1720ºF bis 1840ºF) mit Liquidustemperaturen weit unter den jeweiligen HTVs aufwiesen. Bei jedem Fall lag der Liquidus mindestens 55,5 K (100ºF) niedriger als die jeweilige HTV. Alle Gläser eignen sich zum Entstippen durch das Rotationsverfahren. Tabelle 2
*) Bezugsbeispiel

Beispiel 10 und 11, Bezugsbeispiel 12 und Vergleichsbeispiel C1

Zwei der vorliegenden Erfindung entsprechende Versuchsgläser und ein Bezugsglas wurden aufbereitet und mit einem handelsüblichen Glas, das viel für Bauisolationsprodukte verwendet wird, verglichen. Zusammensetzung, HTV, Liquidus, gesamte Strahlungswärme-Löscheffizienz, Wärmeindex (T.I.), Bioauflösungsgeschwindigkeit und Dauerbeständigkeitsparameter sind in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben. TABELLE 3
*) Bezugsbeispiel
Wie es die obige Tabelle zeigt, weisen die Gläser der Beispiele 10 bis 12 ungefähr dieselbe HTV wie das handelsübliche Glas auf, was angibt, dass diese Gläser im Wesentlichen unter den gleichen Verfahrensbedingungen mit im Handel erhältlichen Einrichtungen entstippt werden können. Die Liquidustemperaturen der Gläser der Beispiele 10 und 12 sind ebenfalls ähnlich wie die des handelsüblichen Glases, während der Liquidus des Glases von Beispiel 11 noch niedriger ist. Durch direktes Messen der Wärmeleistung der Glasfaserisolation, die aus diesen Gläsern aufbereitet wurde, geben die Beispiele 11 bis 12 eine wesentliche Verbesserung der Wärmeisolationseffizienz an, was durch die 15 bis 19%ige Reduzierung des Wärmeindexwertes (T.I.) für die Gläser der Beispiele 10 bis 12 im Vergleich zu dem handelsüblichen Glas bewiesen wird. Det Wärmeindex ist ein Verfahren zur Beurteilung der Vergleichsleistung von Wärmeisolationseffizienz. Eine 19%ige Reduzierung des T.I.s kann sich in einer Dichtheitreduzierung von 8% bis 18% (je nach Art des eigentlichen Produkts) äußern, wobei dieselbe Wärmeleistung erreicht wird. Zudem zeigen die Gläser der Beispiele 10 bis 12 ferner, dass man diese Gläser dazu bringen kann, eine ähnliche oder sogar höhere Biolöslichkeit aufzuweisen, und dabei eine ähnliche oder bessere Feuchtebeständigkeit als das handelsübliche Glas behalten.

Claims

1. Glaszusammensetzung, die eine hohe Strahlungs- wärmeaustauschbeständigkeit im Infrarotbereich von 4 bis 40 um aufweist, wobei die Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung bezogen folgendes umfasst:

50 bis 60% SiO&sub2;

3 bis 6% Al&sub2;O&sub3;

14 bis 19% B&sub2;O&sub3;

2 bis 9% CaO

1 bis 7% MgO

10 bis 15% Na&sub2;O

0 bis 3% K&sub2;O

0 bis 2% F&sub2;,

wobei die Glaszusammensetzung eine HTV, die als die Temperatur bei einer Viskosität von 10³ dPa·s (Poise), zum Rotationsentstippen geeignet, definiert ist, eine Liquidustemperatur, die um mindestens 44 K (80ºF) niedriger ist als die HTV, und eine gesamte Strahlungswärmelöscheffizienz von mehr als 0,1139 in dem Wellenlängenbereich von 4 bis 40 um aufweist.

2. Glaszusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das Gewichtsprozent von SiO&sub2; von 52% bis 58%, das Gewichtsprozent von CaO von 3% bis 6% und das Gewichtsprozent von MgO von 1% bis 5% reicht.

3. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die HTV im Bereich von 938ºC (1720ºF) bis 1004ºC (1840ºF) liegt.

4. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die Liquidustemperatur um 83 K (150ºF) oder mehr niedriger ist als die HTV.

5. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die gesamte Strahlungswärme-Löscheffizienz größer ist als 0,1150.

6. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die Bioauflösungsgeschwindigkeit in simulierter Außenzellflüssigkeit größer ist als 300 ng/cm² Std..

7. Zusammensetzung gemäß Anspruch 6, wobei die Bioauflösungsgeschwindigkeit in simulierter Außenzellflüssigkeit größer ist als 500 ng/cm² Std..

8. Verfahren zur Aufbereitung einer Glasfaserwärmeisolation durch das Rotationsverfahren, umfassend die Verwendung der Glaszusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Glasfaserisolationsprodukt, das hohe Wärmeisolationseffizienz aufweist, wobei die Isolation Glasfasern umfasst, die aus der Glaszusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.

10. Verfahren zur Aufbereitung von Einglas-Glasfaserisolationsprodukten, wobei eine Einglasschmelze durch das Rotationsentstippungsverfahren entstippt wird, umfassend das Auswählen eines Glases mit einer hohen Gesamtstrahlungslöscheffizienz als das Einglas, wobei das Einglas eine Zusammensetzung aufweist, die in Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht des Glases bezogen folgendes umfasst:

50 bis 60% SiO&sub2;

3 bis 6% Al&sub2;O&sub3;

14 bis 19% B&sub2;O&sub3;

8 bis 16% Na&sub2;O

0 bis 3% K&sub2;O

2 bis 9% CaO

1 bis 7% MgO,

wobei das einzelne Glas eine HTV, die als die Temperatur bei einer Viskosität von 10³ dPa·s (Poise), zum Rotationsentstippen geeignet, definiert ist, und eine Liquidustemperatur, die um mindestens 44 K (80ºF) niedriger ist als die HTV, aufweist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Einglas eine Gesamtwärmelöscheffizienz von mehr als 0,1139 aufweist.

12. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Liquidus um 83 K (150ºF) oder mehr niedriger ist als die HTV.

13. Einglas-Glasfaserisolationsprodukt, das hohe. Gesamtwärmelöscheffizienz aufweist, wobei das Produkt Glasfasern umfasst, die durch das Rotationsentstippungsverfahren hergestellt werden, wobei ein Einglas verwendet wird, wobei das Einglas in Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht des Glases bezogen folgendes umfasst:

50 bis 60% SiO&sub2;

3 bis 6% Al&sub2;O&sub3;

14 bis 19% B&sub2;O&sub3;

8 bis 16% Na&sub2;O

0 bis 3% K&sub2;O

2 bis 9% CaO

1 bis 7% MgO,

wobei das Einglas eine Liquidustemperatur aufweist, die um 44 K (80ºF) oder mehr niedriger ist als die HTV des Einglases, die als die Temperatur bei einer Viskosität von 10³ dPa·s (Poise) definiert ist.

14. Isolationsprodukt gemäß Anspruch 13, wobei die Gesamtwärmelöscheffizienz größer ist als 0,1139.

15. Isolationsprodukt gemäß Anspruch 13, wobei die Liquidustemperatur des Einglases um 83 K (150ºF) oder mehr geringer ist als die HTV.