FI91779C - Vähän kutistuva, kaoliinia sisältävä tulenkestävä kuitu - Google Patents

Description

91779 Våhån kutistuva, kaoliinia sisåltåvå tulenkeståvå kuitu Kaolinhaltig eldfast fiber med liten krympning 5 Keksinnon ala

Keksinto kohdistuu tulenkeståvien kuitujen alalle. Keksinto kohdistuu erityisesti sellaisten tulenkeståvien kuitujen alalle, joilla esiintyy alhaista kutistumista niiden ollessa alttiina korkealle låmpotilalle.

10 Vielå tåsmållisemmin ilmaistuna kohdistuu keksinto kuituihin, mitkå sisåltåvåt alumiinioksidia ja piidioksidia. Keksintoå edelleen karakte -risoiden, mutta sitå rajoittamatta muodostuu keksinto kuidusta, mihin sisåltyy kaoliinisavea alumiinioksidin ja piidioksidin låhtoaineena ja mihin on lisåtty sirkonia (ZrSi04) .

15

Keksinnon tausta

Kuten sanontaa tåsså yhteydesså kåytetåån mååritellåån tulenkeståvåt kuidut epåorgaanisiksi, amorfisiksi tai kiteisiksi kuiduiksi, joihin 20 yli 800°C låmpotilat eivåt haitallisesti vaikuta. Erås tyypillinen tulenkeståvå kuitu on lasimainen kuitu, mikå on valmistettu sulatta-malla keskenåån yhtå suuret mååråt A1203 ja Si02 puhtaita oksideja.

Sulate kuidutetaan kåyttåen menetelmiå, mitkå ovat alalla sinånså hyvin tunnettuja. Tåmå tyypillinen kuitu kuumennetaan 1300-1350°C ja sillå 25 esiintyy kutistumista 3-4 % sen oltua 24 tuntia alttiina nåille låmpo-; tiloille.

Erås toinen kuitujen laji voidaan valmistaa sulattamalla kaoliinisavea. Hyvå esitys tållaisesta kuidusta on loydettåvisså kiriasta Inorganic 30 Fibers kirjoittanut C.Z. Carroll-Porczynski, julkaissut Academic Press Publishers vuonna 1958 New Yorkissa. Sivuilla 162-164 tåtå kirjaa esi-1' tetåån Kaowool R -kuitu, jota myy Babcock and Wilcox. Kåytetyn kaupal- lista laatua olevan kaoliinin epåpuhtauksien johdosta tållå kuidulla esiintyy lineaarista kutistumista 5-8 % verran tåsså 1300-1350°C låmpo-35 tilassa. Tåmån lisåksi kaoliinikuidut sisåltåvåt yleenså suuren pro-senttiosuuden kasaumajåtettå (shot), mikå ei kuidutu. Kasaumajåtteellå saattaa olla haitallinen vaikutus tåmån tulenkeståvån kuidun låmpberis-tysominaisuuksiin. Kaoliiniin perustuvan kuidun suurin etu on, ettå 2 91779 kaoliinin hinta on hyvin alhainen verrattuna niihin puhtaisiin oksidei-hin, joita kåytetåån sulatevalmistamalla jåljempånå kuvattuja kuituja.

On esitetty, ettå sirkoniumoksidin lisååminen alumiinioksidin ja piidi-5 oksidin puhtaisiin oksideihin parantaa tulenkeståvien kuitujen sulatta-misnopeutta ja kuiduttamista. USA-patentti n:o 2 873 197, keksijånå J.C. McMullen, myonnetty 10. helmikuuta 1959, sisåltåå tållaisen ku-vauksen. Vaikkakin sirkoniumoksidin lisååminen parantaa kuitutuotosta ja menetelmåå se ei salli kuitujen valmistamista yhtå helposti kuin 10 kaoliiniin perustuvilla kuiduilla.

Eras aikaisempi patenttihakemus, mistå tåmån keksinnon keksijåt ovat tietoisia esittåå kuidun, mikå on valmistettu sulattamalla Al203, Si02 ja Zr02 puhtaita oksideja. Samoin kuin McMullen'in esittåmillå kuiduilla 15 sulavat nåmå kuidut nopeammin kuin puhtaasta alumiinioksidista ja pii-dioksidista valmistetut kuidut. Hakijat ovat kuitenkin tåmån yhteydesså esittåneet, ettå esiintyi odottamattoman pientå lineaarista kutistumis-ta kuiduille, joita sulatettiin hyvin kapea-alaisella yhdistelmåmååril-lå prosenttiosuuksia puhtaita alumiini-, pii- ja sirkoniumoksideja.

20 Eråållå toisella alueella havaittiin, ettå sirkoniumoksidin lisååminen aikaansai kuiduille hapon ja emåksen sietokykyå. Esitetyistå puhtaista oksideista valmistettujen kuitujen haittapuolena on, ettå kuitu valmis-tetaan kolmen komponentin systeemistå, misså kåytetåån kalliimpia oksideja kuin kahden komponentin systeemisså, jota kåytetåån alumiini- ja : 25 piioksidikuitujen valmistamiseen.

Yhteenveto keksinnostå Tåsså keksinnosså yhdistetåån kaoliinisavea ja sirkonia (ZrSi04) kuidun 30 valmistamiseksi, millå on parempi sulattamisnopeus kuin alumiini- ja piioksidien koostumuksilla, millå on pienempi lineaarinen kutistuma kuin kaoliiniin perustuvilla kuiduilla ja mikå on halvempaa kuin puhtaista alumiini-, pii- ja sirkoniumoksideista valmistetut kuidut. Tåsså keksinnosså kåytetåån kaoliinin ja sirkonin (ZrSiO^) sekoitusta, misså 35 painoprosentteina lausuttuna on 72-90 % kaoliinia ja 10-28 % sirkonia (ZrSi04) .

i.

3 91779

Edullisena pidetvn suoritusmuodon kuvaus

Jotta olisi voitu arvioida kaoliini-sirkoniumoksidikuituja valmistet-tiin valikoima nåitå kuituja, jotka oli valmistettu vaihtelevista pro-5 senttimååristå kaoliinia ja sirkonia (ZrSi04). Halutut osuuskoostumusten mååråt tunnistettiin ja osa-aineet lisåttiin haluttuina osuusmåårinå kolmen jalan halkaisijamitan, 48 cm syvåån koesulattimeen. Aineet sula-tettiin såhkdisesti sulateainevirtojen tullessa ulos tietyn suuttimen kautta ja osuessa pyorivien kehruuelimien pariin. Nåin tuotettiin kui-10 tuja, mitkå yleenså olivat halkaisijamitaltaan 2-7 mikronia ja pituu-deltaan 1-25 cm (keskiarvo 5-8 cm) ja joilla oli vaihteleva tuhkapitoi-suus (yleenså 35-45 %). Kuidut keråttiin ja ne alysoitiin, jotta koos-tumus olisi voitu varmistaa ja valmistettiin nåytteitå nåistå eri kui-duista ja niille suoritettiin kutistamiskoe. Nåiden kuitujen valmista-15 miseksi kåytettiin kaoliinisavea, millå painoprosentteina lausuttuna oli seuraava kemiallinen koostumus:

Taulukko I

20 Osa-aine Prosenttiosuus

Si02 52,1 A1203 44,4

Zr02 0,23

Ti02 1,76 25 Fe203 0,79

Na20 0,05 K20 0,06

CaO 0,12

MgO 0,07 30 ' Kaoliinisavi on erås savi joukosta luonnollisesti esiintyviå aineita, mitkå ovat oleellisesti emåksettomiå (sisåltåvåt alle 0,5 %) savia, joille on tunnusomaista 1:1 dioktahedraaliset fyllosilikaatit, joiden yleinen koostumus on muotoa Al2Si205(0H)A. Tåmån joukon muita savia ovat 35 diktiitti, nakriitti ja halloisiitti. Vaikkakin mikå tahansa nåistå savista voidaan korvata kaoliinin tilalle, tekee kaoliinin saatavuus ja 4 91 779 alhaisempi hinta siitå kaikkein edullisimman komponentin. On myos mah-dollista kåyttåå pyrofylliitin ja sirkonin (ZrSi04) yhdistelmåå hyvåk-syttåvisså olevan saven aikaansaamiseksi. Pyrofylliitti on oleellisesti emåksetontå (sisåltåå alle 0,5 %) savea, mille on tunnusomaista 2:1 5 tilanne dioktahedraalisissa fyllosilikaateissa, joiden koostumus on Al2Si4O10(OH) .

Kuten yllå on todettu on kaoliini-sirkoniseosta pidettåvå edullisimpana kuitujen valmistamiseksi tåmån keksinnon opetusten mukaisesti. Koska 10 kyseesså on kaksikomponenttisysteemi kolmikomponenttisysteemin sijaan, jollainen on pii-, alumiini- ja sirkoniumoksidien puhtaiden oksidien systeemi, vaatii kaoliini-sirkonin (ZrSi04) systeemi våhemmån laitteis-toa ja våhemmån mittaamista sekoittamisen prosenttiosuuksien sååtåmi-seksi. Kuten yllå on todettu niin vaikkakin minkå tahansa yllå-15 mainituista savista yhdiståmisellå sirkoniin (ZrSi04) saavutetaan tåmå etu on kaoliinia pidettåvå kaikkein edullisimpana sen alhaisemman hin-nan johdosta.

Kåynniståmisen yhteydesså (lost on ignition - LOI) måårå oli 0,09 %.

20 Ensimmåisenå esitettåvå kuitu (A) valmistettiin kåyttåen pelkåståån yllå kuvattua kaoliinia. Tåmån jålkeiset kuidut valmistettiin kåyttåen vaihtelevia mååriå sirkonia (ZrSi04) kuten alla taulukossa 2 on esitet-ty.

25 Taulukko 2

Kuitu Kaoliinia (p-%1 Sirkonia (ZrSiO,.) (p-%) A 100 % 0 % B 96 % 4 % 30 C 86 % 14 % D 82 % 18 % E 77 % 23 % F 69 % 31 % G 63 % 37 % 35 H 59 % 41 % ..I 48 % 52 % J 42 % 58 % I: 5 91779 Nåistå sekoituksista tuloksena voitiin valmistaa kuituja, joilla oli alempana esitettåvåt prosenttiosuudet pii-, alumiini- ja sirkoniumoksi-dia: 5 Taulukko 3

Kuitu Piioksidia Alumiinioksidia Sirkonium- LOI

(p-%) (p-%) oksidia (p-%) 10 _ A 52,1 44,4 0,23 0,09 B 52,0 42,2 2,93 0,09 C 49,8 38,3 9,32 0,10 15 D 48,6 36,2 12,3 0,07 E 47,8 34,4 15,1 0,07 F 46,2 31,0 20,7 0,09 G 44,8 27,7 25,0 0,24 H 44,4 26,4 27,2 0,07 20 I 42,6 22,5 34,7 0,01 J 41,6 19,4 38,6 ---- Håvio kåynniståmisen yhteydesså (LOI) kaikille nåytteille toteutettiin 25 1000°C låmpdtilassa. Nåytteen A pienemmåt osuudet mååriteltiin kåyttåen ICP-laitetta. Nåytteen A pååasialliset osuudet mukaanluettuna Zr02 mi-tattiin kåyttåen XRF spektrometria. Jåljellå olevien yhdeksån nåytteen pååasialliset osuudet mååriteltiin kåyttåen tåtå XRF spektrometria. Kaikki XRF mittaustyo suoritettiin nåytettå 1:10 suhteessa litium tet-30 raboraattiin sulatettuna. Jotta olisi voitu laskea suuremmat Zr02 pitoi-suudet kåytettiin sarjaa synteettisesti valmistettuja standardeja, kåyttåen låhtoaineena BSC 388 (sirkonihiekkaa), ainetta NBS 77 (tulen-keståvå) sekå puhdasta Si02:a. My6s nåmå standardit valmistettiin sulat-teiksi. Lasketut arvot nåille kolmelle aineiden pååtekijålle on luetel-35 tu alla.

____ _ ... ---- -- 91779 6

Standard! SiO·, Al?0? ZrO? A 35,98 20,99 39,70 B 39,30 26,88 29,82 C 42,62 32,78 19,91 5 D 42,58 41,63 9,99 XRF laitteen intensiteettejå ja laskettuja pitoisuuksia kåytettiin muo-dostaraaan pienimpien nelioiden regressio kullekin komponentille. Tåtå 10 kehitelmåå kåytettiin sitten måårittelemåån Si02, A1203 ja Zr02 pitoi-suudet nåytteisså B-J. Suurimman suhteellisen virheen omaava komponent-ti oli Zr02. Tålle Zr02 aineelle oli virhearvo + tai - 1,2 %.

Kun kuidut kerran oli valmistettu suoritettiin vertaileva koe, jotta 15 olisi mååritelty lineaarinen kutistuma kullekin koekuidulle A-H. Kuitu-ja I ja J ei koestettu, koska tuotettuja kuituja ei katsottu riittåvån mielenkiintoisiksi, koska oli vaikeata kuiduttaa nåitå nåytesulatteita. Koekuidut valmistettiin neulottamalla ja låmpovanhentamalla tuotettujen kuitujen mattoa 10 mm paksuksi huovaksi. Tåman maton valmistamiseksi 20 puristettiin osaa kuiduista kahden lohkareen vålisså ja kuumennettiin 650°C låmpotilaan likimåårin 20 minuuttia. Nåin saatiin låmpovanhennettu pala mattoa, mistå kutistamisnåytteet voitiin leikata. Kaikissa tapauk-sissa oli neulotetulla, låmpovanhennetuilla huovilla hyvå murtolujuus neulottamisen ja låmpovanhentamisen jålkeen.

: . 25

Lineaarisen kutistuman koestamiseksi vertailevana kokeena koestettiin kuituja A-H, puhtaista oksideista valmistettua kuitua ja kolmea kaupal-lisesti saatavilla olevaa kaoliinikuitua, - KaoWool 2300, Cer-Wool 2300 ja Durablanket. Sijoitettiin yksi nåyte kutakin ainesta satunnaisesti 30 koeuuniin ja niitå poltettiin 4, 24 ja 48 tuntia. Tåmå menettely tois-tettiin samassa låmpotilassa toiselle sarjalle nåytteitå kustakin nåyt-teestå sijoitettuna jålleen satunnaisesti uuniin tåsså låmpotilassa. Taulukossa 4 esitetyt lineaarisen kutistumisen tiedot edustavat keski-mååristå arvoa nåille kahdelle kokeelle kullakin aineella kussakin låm-35 potilassa.

. 91779 (Ο ·Η

(O - I

ε c -π 3 O-rl d

n4Ji ΟΜίΙΗΟΜΓιΓ'Π ΟΗΜΛ ·Η ft+J

V tfl - « -..... ' ' ^ ~ -P -P

O Η ^ (NMO'ifMOK'irl H ^ liUO «3 «3 0) G

o -P tN Η Η Η Η Η I—I ΓΊ O) Η H Ρ Ό -P ·Η

D O 10 C

rH 2 ft I ·Η -H

u -p ε -η <fp O C H ri

ϋ·Η « O

•H > (0 <u ε x h d c rH rH O <0 •H (0 -p XJ ιη«ηηο\(ΛΐΛΦ ni o oo r- > ;«( to

......- - C G .2 -H

CO σιΗΙΟΙΟ^Μ'ΟΓ'·) ΙΟΗΟΙΛ «30-HO) Η· Η HH Η Η Η ΕβΌ «3 «3 ·Η «3 C ·ΓΊ - ·Η ε ο 3 to 3Χ minniHeotninvo r- co η r- ·η .ρ .2 γ) ρ «*·»«*·** - ' > ' ε-ι 2 -η ο ο (Λ Η· CTiHlOtOtftrOr) tf Ο Ο ΙΟ Μ ^ 3 Ο ·Η (Ν Η ΗΗ Η Η Η 2 Ρ .2 «3

tf) +j 2 Q) +J

η ρ < ε c to · Η HtfHCTir-'COLnvO Γ'ΗΓ'νΟ Η«3·Η·ΗΠ £J| ^ ' (Χ)ΡΌ«3«3 <*> (jiHioiOtftron η ο οι tf k£«j-h+j«3 Η4! Η HH HH Pn^tOXd '1 1 «3 W «3 X Ρ ·Η γη U -Ρ Ο ft to t* 3 Ρ * O -Η ,2 3 .2 χ; ntHOtTfinvoorM 2 ot^coti· 3 ****· Η co uiioriMfMogtfto Ό οο to to tj4 3 tj" ·Η «3 «3 to

Η «3 X

ε ο

, 3£ nM3)tf in«H(N -H 03 ft h H

a+j - -π ~ ^ - ο ω tf ininnriNNtfio ft to to h·

5 -H og G

Z. -P «3 G TJ 0

·_j 3 ·η ·Η C

2 ntfcotftfiooH σι η· η -η «3 Ρ) Λ ........ I - ' ' - G Ο tx> ininnnrgMtfvc -Η t^tovon ·πϋ ο ti4 C ·Η ο 3: •Η Η ο C I · •Η Ο ϋ 0«·Η ε «3 Λ W 2 3 X «3 E-« Ο 2 η m w ρ «3 «3 2 (0 Q) χ3 ΗΓ'ΐΟΝΝΓ'Γ^η σι co r- μ -Ρ c 2 -ο ε ^vv*t«.Kv«t (¾ »«.>.«. II) Ο rt «3 . co tfionnrgNiNtf -η ό in ud ro -η Η ·η ρ ti4 > > PI CQ X «3 «3 a> O O < X > «3 Η Η Ο Κ Ρ «3 ε Ο Ο 2 D 0) -Ρ q 3£ ΗΌΙΟΗΗΓ'Γ'Π Γ^Γ^νοο Ο Ο ε

ο Ρ «3 ^ ^ «3 <3 «3 C

ο to η4 -crinnnninioiM4 to to in in η 10 2 * Ρ :0 in ·η nj to 10 -η «3 -Η

m -Ρ ·Η ·η «3 X > +J

Η 3 > > -Ρ 2 «3 .G

2 tor'cointotfojto «j roniHin «3 ω Ρ +J >, •Cl +J +J ·Η φ <μ> γοη·(Ν(νη<ν(νγο «3 ιο ιη ιη <ν «3 > ε C to .. trl «3 «3 ο «3 ή tu : to to ρ ρ *· -η Λ «3 Ο Ρ •Η * * -Η > υ Ο Ρ Η Eh +J «3 «3 4-> to η w ιο-ρ-ρεο 0) 2-Κ2 0)10 3 «3

10 * 'ΖΖΧ'Ζ. 10-HCT3P

-Η Ρ) 2 ο < ·Η > ·Η c Ή Η Ο η Ο η Η 3' 3 0) Η OCQ2CQ Η +J X Ρ Κ 3 «3 2 < ι < «ωοο ρ ----------- Of ΟκΚΚ ftjj ϋΛ ·

•Η CfflODHtuOX 3 ΟΧ» 3PHPW

3 vwwwt^,www «3 2 Q U Ο «3 <1) ·Η «3 · 2 2 2 ft 2 a a 91779 8

Taulukon 4 kutistumistiedoista voidaan pååtellå, ettå koostumuksilla E ja F on parhaat mahdolliset kutistumistulokset verrattuna mihin tahansa kaupallisesti saatavilla olevista kuiduista otettuihin koekuituihin. Yleisesti ottaen on alle 5 % kutistumamååråå pidettåvå erinomaisena kun 5 taas kutistumamååråå 5-8 % pidetåån kohtuullisena ja 8 % on rajatapauk-sissa hyvåksyttåvisså. Yli 8 % kutistumamååråå ei pidetå hyvåksyttåvå-nå. Tåten ovat kaikki kaupallisesti saatavilla olevat kaoliinikuidut kohtuullisesti hyvåksyttåviå 1250°C ja 1300°C låmpotilassa mutta eivåt ole hyvåksyttåviåsså 1350°C låmpotilassa. Kuituja C-G tulee pitåå erin-10 omaisina 1300°C låmpotilassa. Kuidut E ja F olivat luokassa erinomainen 1350°C låmpotilassa kun taas kuidut C ja D olivat hyvåksyttåvisså ole-valla alueella 1350°C låmpotilassa. Lopuksi kåyttåytyi kuitu F paljon paremmin kuin mikåån saatavilla oleva kaoliinikuitu tai muu koekuitu jopa 1400°C låmpotilassa. Vain puhtaista oksideista valmistettu kuitu 15 kåyttåytyi paremmin 1400°C alueella. Nåraå tulokset osoittavat, ettå jopa 28 % sirkoniumoksidia sisåltåvå kaoliinikuitu toimii paremmin kuin tavanomaiset kaoliinikuidut. Koska kaoliinikuidut ovat helpompia kui-duttaa ja halvempia kuin puhtaiden oksidien kuidut on sirkonin (ZrSiOA) lisååminen kaoliiniin kutistumisen våhentåmiseksi korkeissa låmpoti-20 loissa uusi keino hinnaltaan alhaisen, pienen kutistumatason, kaoliiniin perustuvan kuidun valmistamiseksi.

Vaikkakin keksintoå on kuvattu sen edullisena pidetyn suoritusmuodon avulla ei sitå tule tåten rajoittaa, koska voidaan suorittaa muutoksia . 25 ja muunnelmia, jotka ovat keksinnon tåyden tarkoitetun suoja-alueen puitteissa, mikå mååråytyy oheisista patenttivaatimuksista. Esimerkki-tapauksessa voitaisiin vaikkakin kaoliini on erås edullisena pidettåvå savi mitå tahansa esitetyistå alumiini- tai piioksidisavista kåyttåå silti poikkeamatta tåmån keksinnon tåyden laajuuden puitteista.

30 li

Claims (2)

91779

1. Tulenkeståvå lasikuitu, jonka koostumus painoprosentteina on 44-52 % piidioksidia, 26-43 % alumiinioksidia ja 3-27 % sirkoniumoksidia, 5 tunnettu siitå, ettå mainitun kuidun kutistuvuus on alle noin 6 %, kun siihen on vaikuttanut no in 1300°C (2400°F) låmpotila noin 4 tuntia, ettå mainittu tulenkeståvå kuitu on valmistettu kaksikompo-nenttikoostumuksesta, joka sisåltåå yhdistelmånå painoprosentteina 59-96 % savea ja 4-41 % sirkonia (ZrSi04) , joka savi on valittu fyl-10 losilikaateista, jotka kåsittåvåt joko a) ryhmån yleisesti mååritettynå 1:1 dioktahedraaliset fyllosilikaatit, joilla on koostumus A12Si205(0H)<, tai b) pyrofylliittiå (2:1 dioktahedraalinen fyllosilikaatti), jolla on koostumus Al2SiAO10(OH) .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuitu, tunnettu siitå, ettå mainittu savi on kaoliinisavea. • · « 91779