RU2416577C2 - Modifying alkali-earth silicate fibre - Google Patents
Modifying alkali-earth silicate fibre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2416577C2 RU2416577C2 RU2007120394/03A RU2007120394A RU2416577C2 RU 2416577 C2 RU2416577 C2 RU 2416577C2 RU 2007120394/03 A RU2007120394/03 A RU 2007120394/03A RU 2007120394 A RU2007120394 A RU 2007120394A RU 2416577 C2 RU2416577 C2 RU 2416577C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fibers
- sio
- alkali metal
- cao
- mgo
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к щелочноземельным силикатным волокнам.The present invention relates to alkaline earth silicate fibers.
Неорганические волокнистые материалы хорошо известны и широко используются для различных целей (например, в качестве тепло- или звукоизоляции в объемной форме, в форме мата или в форме полотна, в виде сформованных в вакууме форм, сформованных в вакууме плит и бумаги, а также в виде веревок, пряжи или текстильных изделий; в качестве армирующего волокна для строительных материалов; в качестве компонента тормозных колодок для транспортных средств). В большинстве из этих областей применения те свойства, благодаря которым применяют неорганические волокнистые материалы, требуют термостойкости и зачастую стойкости к воздействию агрессивных химических сред.Inorganic fibrous materials are well known and widely used for various purposes (for example, as heat or sound insulation in bulk, in the form of a mat or in the form of a cloth, in the form of vacuum-formed forms, vacuum-formed plates and paper, as well as ropes, yarn or textiles; as a reinforcing fiber for building materials; as a component of brake pads for vehicles). In most of these applications, those properties due to which inorganic fibrous materials are used require heat resistance and often resistance to aggressive chemical environments.
Неорганические волокнистые материалы могут быть либо стекловидными, либо кристаллическими. Асбест представляет собой неорганический волокнистый материал, одна из форм которого является главной причиной респираторных заболеваний.Inorganic fibrous materials can be either glassy or crystalline. Asbestos is an inorganic fibrous material, one of the forms of which is the main cause of respiratory diseases.
Все еще не ясно, каким является механизм, в соответствии с которым некоторые виды асбеста вызывают развитие таких заболеваний, но некоторые исследователи полагают, что данный механизм связан с механическими свойствами и размером частиц. Частицы асбеста критического размера могут прокалывать клетки в организме и, таким образом, при длительном и регулярном повреждении клеток оказывают вредное воздействие на здоровье. Независимо от того, является ли механизм действия асбеста таким или нет, регулирующие органы указали на необходимость классифицировать как опасную любую продукцию с неорганическими волокнами, которая содержит респираторную фракцию, без учета того, имеется ли какое-либо доказательство в подтверждение такой классификации. К сожалению, реальных заменителей таких неорганических волокон для применения во многих областях не существует.It is still not clear what is the mechanism by which some types of asbestos cause the development of such diseases, but some researchers believe that this mechanism is associated with mechanical properties and particle size. Critical sized asbestos particles can pierce cells in the body and, thus, with prolonged and regular damage to cells, have a detrimental effect on health. Regardless of whether the mechanism of action of asbestos is such or not, regulatory authorities pointed out the need to classify as hazardous any product with inorganic fibers that contains a respiratory fraction, regardless of whether there is any evidence to support such a classification. Unfortunately, there are no real substitutes for such inorganic fibers for use in many fields.
Поэтому сохраняется потребность в неорганических волокнах, которые будут обладать по возможности наименьшей опасностью (если она вообще будет иметь место) и для которых будут иметься объективные основания считать их безопасными.Therefore, there remains a need for inorganic fibers, which will have the least possible danger (if any) and for which there will be objective reasons to consider them safe.
В соответствии с одним направлением исследования было предположено, что если изготовить неорганические волокна, которые были бы в достаточной степени растворимы в физиологических жидкостях для того, чтобы время нахождения их в организме человека было непродолжительным, то тогда повреждение наноситься не будет или, по меньшей мере, оно будет снижаться до минимума. Поскольку, как оказалось, риск появления заболевания, связанного с воздействием асбеста, в очень большой степени зависит от продолжительности воздействия, данная идея казалась вполне разумной. Асбест является в высшей степени нерастворимым.In accordance with one direction of the study, it was suggested that if inorganic fibers were made that were sufficiently soluble in physiological fluids so that their residence time in the human body was short, then damage would not be caused, or at least it will be reduced to a minimum. Since, as it turned out, the risk of a disease associated with asbestos exposure is very much dependent on the duration of exposure, this idea seemed quite reasonable. Asbestos is highly insoluble.
В виду того что межклеточная жидкость по своей природе является солевой, важность растворимости волокон в солевом растворе была установлена уже давно. Если волокна растворимы в физиологической солевом растворе, то тогда, при условии, что растворенные компоненты не являются токсичными, такие волокна должны быть более безопасными, чем волокна, не обладающие такой растворимостью. В качестве растворимых в солевом растворе, неметаллических, аморфных, содержащих неорганические оксиды огнеупорных волокнистых материалов были предложены щелочноземельные силикатные волокна. Изобретение, в частности, относится к стекловидным щелочноземельным силикатным волокнам с кремнеземом в качестве их основного компонента.Since intercellular fluid is saline in nature, the importance of fiber solubility in saline has been established for a long time. If the fibers are soluble in physiological saline, then, provided that the dissolved components are not toxic, such fibers should be safer than fibers that do not have such solubility. Alkaline-earth silicate fibers have been proposed as soluble in saline, non-metallic, amorphous, inorganic oxides of refractory fibrous materials. The invention, in particular, relates to vitreous alkaline earth silicate fibers with silica as their main component.
В Международной заявке на патент № WO87/05007 раскрыты волокна, включающие оксид магния, диоксид кремния (кремнезем), оксид кальция и менее 10% оксида алюминия, которые являются растворимыми в солевом растворе. Растворимости раскрытых там волокон были представлены из расчета на миллионные доли кремния (экстрагированного из кремнийсодержащего материала волокна), присутствующего в солевом растворе после выдерживания в течение 5 часов. В WO87/05007 указано, что должны применяться чистые материалы, и дан верхний предел в 2 мас.% суммарного содержания всех примесей, которые могли бы присутствовать. В указанной заявке на патент щелочные металлы не упоминались.International patent application WO87 / 05007 discloses fibers including magnesium oxide, silicon dioxide (silica), calcium oxide and less than 10% alumina, which are soluble in saline. The solubilities of the fibers disclosed there were presented based on parts per million of silicon (extracted from a silicon-containing fiber material) present in the saline solution after aging for 5 hours. WO87 / 05007 states that pure materials should be used and an upper limit of 2% by weight of the total content of all impurities that might be present is given. Alkali metals were not mentioned in said patent application.
В Международной заявке на патент № WO89/12032 раскрыты другие волокна, растворимые в солевом растворе, и обсуждены некоторые компоненты, которые могут присутствовать в таких волокнах. В указанной заявке раскрыто добавление Na2O в количествах в интервале от 0,28 до 6,84 мас.%, но нет никаких указаний на то, что присутствие Na2O имело какой-либо эффект.International patent application WO89 / 12032 discloses other fibers that are soluble in saline and discusses some of the components that may be present in such fibers. Said application discloses the addition of Na 2 O in amounts ranging from 0.28 to 6.84 wt.%, But there is no indication that the presence of Na 2 O had any effect.
В заявке на европейский патент № 0399320 раскрыты стекловолокна, обладающие высокой физиологической растворимостью и содержащие 10-20 мол.% Na2O и 0-5 мол.% K2O. Хотя было показано, что данные волокна являются физиологически растворимыми, максимальная температура их применения не была приведена.European Patent Application No. 0399320 discloses glass fibers having high physiological solubility and containing 10-20 mol% Na 2 O and 0-5 mol% K 2 O. Although these fibers have been shown to be physiologically soluble, their maximum temperature application has not been given.
Другие патентные описания, раскрывающие выбор волокон по их растворимости в солевом растворе, включают, например, европейские 0412878 и 0459897, французские 2662687 и 2662688, PCT WO86/04807, WO90/02713, WO92/09536, WO93/22251, WO94/15883, WO97/16386 и США 5250488.Other patent descriptions disclosing the choice of fibers for their solubility in saline include, for example, European 0412878 and 0459897, French 2662687 and 2662688, PCT WO86 / 04807, WO90 / 02713, WO92 / 09536, WO93 / 22251, WO94 / 15883, WO97 / 16386 and U.S. 5,250,488.
Огнеупорность волокон, раскрытых в этих различных документах предшествующего уровня техники, изменяется в широких пределах, и в случае таких щелочноземельных силикатных материалов это свойство критическим образом зависит от состава.The refractoriness of the fibers disclosed in these various prior art documents varies widely, and in the case of such alkaline earth silicate materials, this property is critically dependent on composition.
Как правило, относительно легко получить щелочноземельные силикатные волокна, которые хорошо работают при низких температурах, поскольку для низкотемпературного применения можно ввести добавки, такие как оксид бора, для обеспечения хорошего волокнообразования и изменить количества компонентов для обеспечения желаемых свойств материала. Однако, когда необходимо повысить огнеупорность щелочноземельных силикатных волокон, приходится уменьшить количество вводимых добавок, поскольку обычно (хотя и с исключениями), чем больше компонентов присутствует, тем ниже огнеупорность.As a rule, it is relatively easy to obtain alkaline earth silicate fibers that work well at low temperatures since additives for the low-temperature application can be added, such as boron oxide, to ensure good fiber formation and to vary the amounts of components to provide the desired material properties. However, when it is necessary to increase the refractoriness of alkaline earth silicate fibers, it is necessary to reduce the amount of added additives, since usually (although with exceptions), the more components are present, the lower the refractoriness.
В WO93/15028 раскрыты волокна, включающие в себя в качестве основных компонентов CaO, MgO, SiO2 и, необязательно, ZrO2. Такие волокна широко известны как кальциево-магниевые силикатные (CMS) или кальциево-магниево-циркониевые силикатные (CMZS) волокна. В WO93/15028 требуется, что используемые составы должны быть по существу свободными от оксидов щелочных металлов. Показано, что для материалов, пригодных для применения в качестве изоляции при 1000°С, приемлемыми являются количества до 0,65 мас.%. Кроме того, в WO93/15028 показана необходимость низких уровней содержания Al2O3 (<3,97%).WO93 / 15028 discloses fibers comprising, as main components, CaO, MgO, SiO 2 and, optionally, ZrO 2 . Such fibers are commonly known as Calcium Magnesium Silicate (CMS) or Calcium Magnesium Zirconia Silicate (CMZS) fibers. WO93 / 15028 requires that the compositions used be substantially free of alkali metal oxides. It has been shown that for materials suitable for use as insulation at 1000 ° C., amounts up to 0.65 wt.% Are acceptable. In addition, WO93 / 15028 shows the need for low levels of Al 2 O 3 (<3.97%).
В WO94/15883 раскрыт ряд таких волокон, применимых в качестве огнеупорной изоляции при температурах вплоть до 1260°С или более. Как и в WO93/15028, в данной заявке на патент подчеркивается, что содержание оксидов щелочных металлов должно поддерживаться на низком уровне, но указано, что некоторые щелочноземельные силикатные волокна могли бы быть толерантными к более высоким уровням содержания оксида щелочного металла, чем некоторые другие. Однако высказано предположение, что уровни содержания Na2O в 0,3% и 0,4% по массе вызывают повышенную усадку материалов при применении в качестве изоляции при 1260°С. В этом документе также была подчеркнута важность сохранения низкого уровня содержания оксида алюминия.WO94 / 15883 discloses a number of such fibers useful as refractory insulation at temperatures up to 1260 ° C or more. As in WO93 / 15028, this patent application emphasizes that the alkali metal oxide content should be kept low, but it is indicated that some alkaline earth silicate fibers could be tolerant to higher levels of alkali metal oxide than some others. However, it has been suggested that levels of Na 2 O of 0.3% and 0.4% by weight cause increased shrinkage of materials when used as insulation at 1260 ° C. The paper also emphasized the importance of maintaining a low level of alumina.
В WO97/16386 раскрыты волокна, применимые в качестве огнеупорной изоляции при температурах вплоть до 1260°C или более. Указанные волокна включают в качестве основных компонентов MgO, SiO2 и, необязательно, ZrO2. Указывается, что в таких волокнах оксиды щелочных металлов по существу не требуются, помимо следовых количеств (присутствующих, самое большее, на уровне сотых долей процента из расчета на оксид щелочного металла). Волокна имеют общий составWO97 / 16386 discloses fibers useful as refractory insulation at temperatures up to 1260 ° C or more. These fibers include MgO, SiO 2 and, optionally, ZrO 2 as main components. It is indicated that, in such fibers, alkali metal oxides are essentially not required, in addition to trace amounts (present, at the most, in hundredths of a percent based on alkali metal oxide). Fibers have a common composition
причем эти компоненты MgO и SiO2 составляют по меньшей мере 82,5% от массы волокна, а остальное составляют названные компоненты и модификаторы вязкости. Такие магниевые силикатные волокна могут включать незначительные количества других щелочноземельных металлов. В данном документе также подчеркнута важность сохранения низкого уровня содержания оксида алюминия.moreover, these components MgO and SiO 2 constitute at least 82.5% by weight of the fiber, and the rest are said components and viscosity modifiers. Such magnesium silicate fibers may include minor amounts of other alkaline earth metals. This document also emphasizes the importance of maintaining a low level of alumina.
В WO2003/059835 раскрываются некоторые кальциевые силикатные волокна, некоторые составы которых показывают низкую способность к реакции с алюмосиликатными кирпичами, а именно:WO2003 / 059835 discloses some calcium silicate fibers, some of which exhibit a low ability to react with aluminosilicate bricks, namely:
65%<SiO2<86%65% <SiO 2 <86%
MgO<10%MgO <10%
14%<CaO<28%14% <CaO <28%
Al2O3<2%Al 2 O 3 <2%
ZrO2<3%ZrO 2 <3%
B2O3<5%B 2 O 3 <5%
P2O5<5%P 2 O 5 <5%
72%<SiO2+ZrO2+B2O3+5·P2O5 72% <SiO 2 + ZrO 2 + B 2 O 3 + 5 · P 2 O 5
95%<SiO2+CaO+MgO+Al2O3+ZrO2+B2O3+P2O5.95% <SiO 2 + CaO + MgO + Al 2 O 3 + ZrO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5 .
В указанной заявке на патент также раскрывается использование La2O3 или других лантаноидных добавок для улучшения прочности волокон и полотна, выполненного из этих волокон. В указанной заявке на патент не приводятся уровни содержания оксидов щелочных металлов, но в волокнах, предназначенных для применения в качестве изоляции при температурах вплоть до 1260°C или более, раскрыты количества в области ~0,5 мас.%. В WO2003/060016 заявлено низкоусадочное, устойчивое к высокой температуре неорганическое волокно с температурой применения вплоть до, по меньшей мере, 1330°С, которое сохраняет механическую целостность после воздействия на него температуры применения и которое является недолговечным в физиологических жидкостях, в том числе продукт волокнообразования с более чем 71,25 до примерно 85 массовых процентов диоксида кремния, от 0 до примерно 20 массовых процентов оксида магния, от примерно 5 до примерно 28,75 массовых процентов оксида кальция и от 0 до примерно 5 массовых процентов диоксида циркония и, необязательно, модификатор вязкости в количестве, эффективном для придания продукту способности к волокнообразованию.The patent application also discloses the use of La 2 O 3 or other lanthanoid additives to improve the strength of fibers and webs made from these fibers. The indicated patent application does not disclose the levels of alkali metal oxides, but in the fibers intended for use as insulation at temperatures up to 1260 ° C or more, amounts are disclosed in the range of ~ 0.5 wt.%. WO2003 / 060016 claims a low-shrink, high temperature-resistant inorganic fiber with a temperature of application up to at least 1330 ° C, which retains mechanical integrity after exposure to the temperature of the application and which is short-lived in physiological fluids, including the product of fiber formation from more than 71.25 to about 85 weight percent silica, from 0 to about 20 weight percent magnesium oxide, from about 5 to about 28.75 weight percent calcium oxide, and from 0 to an example but 5 weight percent zirconia and, optionally, a viscosity modifier in an amount effective to impart fiber formation to the product.
В ЕР 1323687 заявлен состав биорастворимого керамического волокна для высокотемпературного изоляционного материала, включающий в себя 75-80 мас.% SiO2, 13-25 мас.% CaO, 1-8 мас.% MgO, 0,5-3 мас.% ZrO2 и 0-0,5 мас.% Al2O3, причем содержание (ZrO2+Al2O3) составляет 0,5-3 мас.%, а содержание (CaO+MgO) составляет 15-26 мас.%.EP 1323687 claims the composition of a bio-soluble ceramic fiber for high temperature insulation material, including 75-80 wt.% SiO 2 , 13-25 wt.% CaO, 1-8 wt.% MgO, 0.5-3 wt.% ZrO 2 and 0-0.5 wt.% Al 2 O 3 , and the content of (ZrO 2 + Al 2 O 3 ) is 0.5-3 wt.%, And the content of (CaO + MgO) is 15-26 wt.% .
Определение термина «щелочноземельные силикатные волокна» было дано в Chemical Abstract Service Registry [Registry Number 436083-99-7]:The term “alkaline earth silicate fibers” was defined in the Chemical Abstract Service Registry [Registry Number 436083-99-7]:
«Химические вещества, произведенные в форме волокон. Данная категория охватывает вещества, полученные раздувкой или вытягиванием расплавленной смеси оксидов щелочноземельных металлов, диоксида кремния и других второстепенных/следовых оксидов. Оно плавится около 1500°С (2732°F). Оно состоит преимущественно из диоксида кремния (50-82 мас.%), оксида кальция и оксида магния (18-43 мас.%), оксида алюминия, диоксида титана и диоксида циркония (<6% мас.%) и следовых оксидов».“ Chemicals produced in the form of fibers. This category covers substances obtained by blowing or drawing a molten mixture of alkaline earth metal oxides, silicon dioxide and other minor / trace oxides. It melts around 1500 ° C (2732 ° F). It mainly consists of silicon dioxide (50-82 wt.%), Calcium oxide and magnesium oxide (18-43 wt.%), Alumina, titanium dioxide and zirconia (<6% wt.) And trace oxides . "
Данное определение отражает Европейские нормы в области здравоохранения и безопасности (European Health and Safety regulations), которые устанавливают требования специальной маркировки силикатных волокон, содержащих менее 18% оксидов щелочноземельных металлов.This definition reflects the European Health and Safety regulations, which establish the requirements for special labeling of silicate fibers containing less than 18% alkaline earth metal oxides.
Однако, как четко показано в связи с WO2003/059835, WO2003/060016 и EP 1323687, содержание диоксида кремния в щелочноземельных силикатных волокнах возрастает с необходимостью в более высоких температурах применения, и это приводит к снижению содержаний щелочноземельных металлов.However, as clearly shown in connection with WO2003 / 059835, WO2003 / 060016 and EP 1323687, the silica content in alkaline earth silicate fibers increases with the need for higher application temperatures, and this leads to a decrease in alkaline earth metal contents.
Настоящее изобретение применимо не только к щелочноземельным силикатным волокнам, соответствующим данному узкому значению, отраженному в определении Chemical Abstracts, но и к щелочноземельным силикатным волокнам с более низкими уровнями содержания оксидов щелочноземельных металлов.The present invention is applicable not only to alkaline earth silicate fibers corresponding to this narrow value as defined in Chemical Abstracts, but also to alkaline earth silicate fibers with lower levels of alkaline earth metal oxides.
Соответственно, в представленном описании щелочноземельные силикатные волокна следует рассматривать как материалы, включающие преимущественно диоксид кремния и оксиды щелочноземельных металлов и содержащие менее 10 мас.% оксида алюминия [как указано в WO87/05007, где впервые описаны такие волокна], предпочтительно в которых количество оксида алюминия, диоксида циркония и диоксида титана составляет менее 6 мас.% [как указывается в определении Chemical Abstracts]. По соображениям соответствия нормативам, предпочтительные материалы содержат более 18% оксидов щелочноземельных металлов.Accordingly, in the present description, alkaline earth silicate fibers should be considered as materials comprising predominantly silicon dioxide and alkaline earth metal oxides and containing less than 10 wt.% Alumina [as described in WO87 / 05007, where such fibers are first described], preferably in which the amount of oxide aluminum, zirconia and titanium dioxide is less than 6 wt.% [as indicated in the definition of Chemical Abstracts]. For regulatory reasons, preferred materials contain more than 18% alkaline earth metal oxides.
В предшествующем уровне техники показано, что в случае огнеупорных щелочноземельных силикатных волокон щелочные металлы рассматриваются как примеси, которые могут быть допустимы только при низких уровнях содержания, но которые оказывают неблагоприятное влияние на огнеупорность при более высоких уровнях содержания.In the prior art it is shown that in the case of refractory alkaline earth silicate fibers, alkali metals are considered as impurities that can only be admissible at low levels of content, but which adversely affect refractoriness at higher levels of content.
Заявителем было установлено, что, вопреки традиционным представлениям в области огнеупорных щелочноземельных силикатных волокон, добавление небольших количеств щелочных металлов в пределах некоторого узкого интервала улучшает механическое качество полученных волокон (в особенности прочность волокон) без заметного снижения огнеупорности этих волокон.The applicant has found that, contrary to traditional concepts in the field of refractory alkaline earth silicate fibers, the addition of small amounts of alkali metals within a narrow range improves the mechanical quality of the obtained fibers (especially the strength of the fibers) without a noticeable decrease in the fire resistance of these fibers.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает способ изготовления огнеупорных щелочноземельных силикатных волокон из расплава, включающий в себя добавление щелочного металла в качестве преднамеренного компонента расплава для улучшения механических и/или термических свойств волокна по сравнению с волокном, свободным от щелочного металла.Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing refractory alkaline earth silicate fibers from a melt, comprising adding an alkali metal as a deliberate melt component to improve the mechanical and / or thermal properties of the fiber compared to an alkali-free fiber.
Предпочтительно количество щелочного металла (М), выраженное из расчета на оксид М2О, составляет более 0,2 мол.%, а предпочтительно находится в интервале от 0,2 мол.% до 2,5 мол.%, более предпочтительно от 0,25 мол.% до 2 мол.%.Preferably, the amount of alkali metal (M) expressed as M 2 O oxide is more than 0.2 mol%, and preferably is in the range from 0.2 mol% to 2.5 mol%, more preferably from 0 , 25 mol.% Up to 2 mol.%.
Термин «волокно, свободное от щелочного металла», означает волокно, в котором все прочие компоненты присутствуют в таких же соотношениях, но в котором отсутствует щелочной металл.The term “alkali-free fiber” means a fiber in which all other components are present in the same proportions, but in which there is no alkali metal.
Щелочной металл предпочтительно присутствует в количестве, достаточном для повышения предела прочности на растяжение полотна, изготовленного с использованием этого волокна, на >50% относительно предела прочности на растяжение полотна, свободного от щелочного металла, и меньшем, чем то количество, которое будет приводить к измеренной описанным ниже методом усадке более чем 3,5% в отлитой в вакууме заготовке из этих волокон при воздействии температуры 1250°С в течении 24 часов.The alkali metal is preferably present in an amount sufficient to increase the tensile strength of the web made using this fiber by> 50% relative to the tensile strength of the web, free from alkali metal, and less than the amount that will lead to the measured by the method described below, shrinkage of more than 3.5% in a vacuum-cast preform of these fibers when exposed to a temperature of 1250 ° C for 24 hours.
Будет понятно, что щелочной металл может добавляться либо в качестве присадки к расплаву (предпочтительно в форме оксида), либо путем использования в качестве ингредиентов расплава подходящих количеств материалов, содержащих щелочной металл в качестве компонента или примеси или и в качестве присадки, и в качестве компонента или примеси. Изобретение состоит в гарантировании того, что расплав обладает желательным количеством щелочного металла для достижения полезных эффектов согласно изобретению.It will be understood that the alkali metal can be added either as an additive to the melt (preferably in the form of an oxide), or by using suitable amounts of materials containing the alkali metal as a component or impurity as a melt ingredients or as an additive and as a component or impurities. The invention consists in ensuring that the melt possesses the desired amount of alkali metal to achieve the beneficial effects of the invention.
Изобретение может применяться ко всем упомянутым выше щелочноземельным силикатным составам предшествующего уровня техники.The invention can be applied to all of the aforementioned alkaline earth silicate compositions of the prior art.
Объем и дополнительные признаки изобретения станут понятными из формулы изобретения в свете следующего иллюстративного описания и при обращении к чертежам, на которых:The scope and additional features of the invention will become apparent from the claims in light of the following illustrative description and when referring to the drawings, in which:
Фиг.1 представляет собой график, показывающий отношение предел прочности на растяжение/плотность в зависимости от температуры потока расплава, определенное при производственном испытании ряда волокон с различным содержанием Na2O;Figure 1 is a graph showing the ratio of tensile strength / density depending on the temperature of the melt flow, determined during the production test of a number of fibers with different Na 2 O content;
Фиг.2 представляет собой график, демонстрирующий максимальные, средние и минимальные значения отношения предел прочности на растяжение/плотность в зависимости от содержания Na2O для тех же самых волокон;Figure 2 is a graph showing the maximum, average and minimum values of the ratio of tensile strength / density depending on the content of Na 2 O for the same fibers;
Фиг.3 представляет собой график с экспериментально определенными кривыми вязкость/температура для ряда составов;Figure 3 is a graph with experimentally determined viscosity / temperature curves for a number of formulations;
Фиг.4 представляет собой график, показывающий содержание корольков в зависимости от содержания Na2O для волокон по Фиг.1;Figure 4 is a graph showing the content of kings depending on the content of Na 2 O for the fibers of Figure 1;
Фиг.5 представляет собой график зависимости содержания корольков от содержания Na2O некоторых щелочноземельных силикатных волокон;Figure 5 is a graph of the content of kings on the content of Na 2 O of some alkaline earth silicate fibers;
Фиг.6 представляет собой график значений линейной усадки для щелочноземельных силикатных волокон различных составов в сравнении с известными огнеупорными керамическими волокнами (refractory ceramic fiber - CRF);6 is a graph of linear shrinkage values for alkaline earth silicate fibers of various compositions in comparison with known refractory ceramic fibers (CRF);
Фиг.7 представляет собой график влияния на прочность полотна добавления натрия в ряд щелочноземельных силикатных волокон;Fig.7 is a graph of the effect on the strength of the canvas adding sodium to a number of alkaline earth silicate fibers;
Фиг.8 сопоставляет микрофотографии, показывающие различные волокна после воздействия ряда температур;Fig. 8 compares micrographs showing various fibers after exposure to a series of temperatures;
Фиг.9 представляет собой график сравнения измеренных теплопроводностей для ряда волокон.Fig.9 is a graph comparing the measured thermal conductivity for a number of fibers.
Авторы изобретения изготовили полотно из волокон с использованием экспериментальной производственной линии на их фабрике в г. Бромборо (Brombourought), Англия. Волокно было произведено посредством образования расплава с последующим предоставлением расплаву возможности самопроизвольно стекать на пару прядильных машин (в соответствии с традиционным способом).The inventors made a fiber web using an experimental production line at their factory in Brombourought, England. The fiber was produced through the formation of a melt, followed by allowing the melt to spontaneously drain onto a pair of spinning machines (in accordance with the traditional method).
Основной расплав имел следующий номинальный состав в массовых процентах:The main melt had the following nominal composition in mass percent:
при этом прочие компоненты образовывали примеси, и оксид натрия добавляли в указанных количествах.while the other components formed impurities, and sodium oxide was added in the indicated amounts.
Температуру потока расплава контролировали с использованием двух цветовых пирометров.The temperature of the melt flow was controlled using two color pyrometers.
Волокна, полученные на выходе из прядильных машин, пропускали на конвейер и затем сшивали (пробивали) иглами с получением полотна традиционным способом.The fibers obtained at the exit of the spinning machines were passed onto a conveyor and then sewn (punched) with needles to obtain a web in the traditional way.
Измеряли толщину, плотность и предел прочности на растяжение полотен в случае волокон, полученных с использованием ряда различных условий.The thickness, density, and tensile strength of the webs were measured in the case of fibers obtained using a number of different conditions.
Полотно было получено с целью определения влияния на качество волокон температуры потока расправа, поскольку считалось, что она влияет на качество волокна.The canvas was obtained in order to determine the effect on the quality of the fibers of the temperature of the flow of violence, since it was believed that it affects the quality of the fiber.
Авторами изобретения было также решено добавлять оксиды щелочных металлов с целью выравнивания кривой вязкость-температура расплава, поскольку это считали важным фактором при производстве волокна, как пояснено ниже.The inventors also decided to add alkali metal oxides in order to equalize the viscosity-temperature curve of the melt, since this was considered an important factor in the production of fiber, as explained below.
Результаты этих испытаний представлены в таблице 1 и показаны графически на Фиг.1 и 2. В таблице 1 для всех составов представлены температуры потока расплава, толщина полотна, плотность полотна, предел прочности на растяжение и предел прочности, деленный на плотность. [Предел прочности, деленный на плотность, рассчитывали для устранения отличий, связанных с разными количествами материала, находящегося в полотне]. Кроме того, для выбранных составов была измерена усадка предварительно сформованной заготовки при 1150°С и 1250°С таким же самым образом, как и в WO2003/059835.The results of these tests are presented in table 1 and shown graphically in figures 1 and 2. Table 1 for all compositions presents the temperature of the melt flow, web thickness, web density, tensile strength and tensile strength divided by density. [The tensile strength divided by density was calculated to eliminate differences associated with different amounts of material in the canvas]. In addition, for the selected compositions, the shrinkage of the preformed workpiece was measured at 1150 ° C and 1250 ° C in the same manner as in WO2003 / 059835.
Первым, что заслуживает внимания, является то, что значения предела прочности полотен на растяжение демонстрировали сильное непостоянство. Это объясняется тем, что производство полотна различается по многим переменным параметрам, среди которых:The first thing that deserves attention is that the tensile strengths of the canvases showed strong inconstancy. This is due to the fact that the production of the canvas differs in many variable parameters, among which:
- состав расплава;- the composition of the melt;
- температура расплава;- melt temperature;
- температура потока расплава;- temperature of the melt stream;
- содержание корольков (расплав, который затвердел в форме капель, а не волокон)- the content of kings (melt that has hardened in the form of drops, not fibers)
- диаметр волокон;- fiber diameter;
- длина волокон;- fiber length;
- условия иглопробивания;- conditions for needle piercing;
- тепловая предыстория после затвердевания.- thermal background after hardening.
Получая различные волокна на одной и той же линии и значительно изменяя лишь температуру потока расплава и состав (каждый из этих параметров будет влиять на содержание корольков, диаметр волокна и длину волокна), предполагалось снизить такое непостоянство. Однако, поскольку полотно представляет собой объединенную массу отдельных волокон, неизбежно статистическое различие в таких совокупных свойствах, как предел прочности на растяжение.Obtaining different fibers on the same line and significantly changing only the temperature of the melt flow and composition (each of these parameters will affect the content of kings, fiber diameter and fiber length), it was supposed to reduce such inconstancy. However, since the web is a combined mass of individual fibers, a statistical difference in aggregate properties such as tensile strength is inevitable.
Как можно видеть из представленных на Фиг.1 результатов, изменение прочности с изменением температуры потока расплава оказывается относительно малым, но это не удивительно, поскольку выбранный интервал температур потока расплава был выбран охватывающим только области, установленные ранее как эффективные.As can be seen from the results presented in Fig. 1, the change in strength with a change in the temperature of the melt flow is relatively small, but this is not surprising, since the selected temperature range of the melt flow was chosen to cover only areas previously established as effective.
Однако можно видеть, что с нарастающим увеличением содержания Na2O прочность имеет тенденцию к повышению. На Фиг.2 представлены максимальные, минимальные и средние значения прочности, установленные для ряда составов, при этом видно, что прочность полотна демонстрирует сильную положительную корреляцию с содержанием Na2O. На усадку волокон, напротив, влияние почти не оказывается.However, it can be seen that with an increasing increase in the content of Na 2 O, the strength tends to increase. Figure 2 shows the maximum, minimum and average strength values established for a number of compositions, while it can be seen that the strength of the fabric shows a strong positive correlation with the content of Na 2 O. On the contrary, almost no effect on the shrinkage of the fibers.
Волокна с номинальным нулевым содержанием Na2O, разумеется, содержали незначительные следовые количества Na2O (среднее измеренное содержание - 0,038%, максимальное - 0,11%). Экстраполирование в сторону снижения содержания Na2O до нуля дает среднее отношение предел прочности на растяжение/плотность 0,0675 кПа [кг/м3]. Среднее отношение предел прочности на растяжение/плотность при добавлении 0,3% Na2O составляет 0,1426. Повышение прочности полотна превышает 100%, и при этом ожидается, что меньшие добавления (например, 0,25 мол.%) превысят 50%-ное улучшение.Fibers with a nominal zero Na 2 O content, of course, contained insignificant trace amounts of Na 2 O (the average measured content was 0.038%, the maximum was 0.11%). Extrapolation in the direction of decreasing the content of Na 2 O to zero gives an average ratio of tensile strength / density of 0.0675 kPa [kg / m 3 ]. The average ratio of tensile strength / density with the addition of 0.3% Na 2 O is 0.1426. The increase in web strength exceeds 100%, and it is expected that smaller additions (e.g. 0.25 mol%) will exceed the 50% improvement.
Исходя из полученных результатов и с целью определения верхнего предела содержания оксида щелочного металла, который был бы приемлемым, авторы изобретения изготовили несколько видов дополнительных щелочноземельных силикатных волокон с использованием экспериментальной установки, в которой получали расплав соответствующего состава, пропускали его через отверстие 8-16 мм и подвергали раздувке для получения волокна известным способом. (Размер выпускного отверстия изменялся с учетом вязкости расплава - такое регулирование должно определяться экспериментально в соответствии с используемыми оборудованием и составом). Усадка заготовок из волокон при 1150°C и 1250°C была измерена таким же образом, как и в WO2003/059835. Для некоторых образцов была также определена общая растворимость основных компонентов стекла в м.д. (миллионных долях) в физиологическом солевом растворе после 24-часового статистического испытания.Based on the results obtained and in order to determine the upper limit of the alkali metal oxide content, which would be acceptable, the inventors made several types of additional alkaline earth silicate fibers using an experimental setup in which a melt of the corresponding composition was obtained, passed through an 8-16 mm hole and blown to obtain fiber in a known manner. (The size of the outlet changed according to the viscosity of the melt - such regulation should be determined experimentally in accordance with the equipment and composition used). The shrinkage of fiber preforms at 1150 ° C and 1250 ° C was measured in the same manner as in WO2003 / 059835. For some samples, the overall solubility of the main glass components in ppm was also determined. (ppm) in physiological saline after a 24-hour statistical test.
Результаты этих исследований представлены в таблице 2. Волокна, размещенные в таблице слева, подвергались испытанию с целью определения влияния добавления приблизительно эквимолярных количеств присадки щелочного металла к кальциевому силикатному волокну, содержащему La2O3 (как и в WO2003/059835), в то время как волокна, размещенные в таблице справа, подвергались испытанию для оценки влияния варьирования количества Na2O в таком волокне. Полученные результаты показывают, хотя это и неокончательные выводы, что усадки в случае этих волокон с Na2O и K2O оказались не хуже и даже лучше, чем у волокон, свободных от Na2O, в то время как Li2O оказывает неблагоприятное влияние на усадку.The results of these studies are presented in Table 2. The fibers shown in the table on the left were tested to determine the effect of adding approximately equimolar amounts of alkali metal additive to calcium silicate fiber containing La 2 O 3 (as in WO2003 / 059835), while how the fibers shown in the table on the right were tested to assess the effect of varying the amount of Na 2 O in such a fiber. The results obtained show, although these are not conclusive conclusions, that the shrinkage in the case of these fibers with Na 2 O and K 2 O was no worse and even better than that of the fibers free of Na 2 O, while Li 2 O has an unfavorable effect on shrinkage.
Однако последний вывод представляется ненадежным, поскольку он был определен, когда литий добавлялся в форме тетрабората лития, и введение бора могло оказать значительное действие. Пока не доказано обратного, авторы изобретения сделали предположение, что в изобретении могут быть использованы все щелочные металлы, но абсолютное количество щелочного металла может меняться от металла к металлу и от волокна к волокну. Показатели растворимости демонстрируют, что при добавлении оксида щелочного металла общая растворимость слегка повышается.However, the latter conclusion seems unreliable because it was determined when lithium was added in the form of lithium tetraborate, and the introduction of boron could have a significant effect. Unless proven otherwise, the inventors have suggested that all alkali metals can be used in the invention, but the absolute amount of alkali metal can vary from metal to metal and from fiber to fiber. Solubility indices demonstrate that when alkali metal oxide is added, the total solubility is slightly increased.
24 ч1150 ° C /
24 h
24 ч1250 ° C /
24
24 ч1150 ° C /
24 h
24 ч1250 ° C /
24 h
Как видно из результатов, представленных в правой части таблицы 2, лишь на ~1% более высокое содержание диоксида кремния оказывает значительное влияние на усадку, приводя к значительному снижению усадки. Оказалось, что для этих волокон добавление оксида натрия во всех испытанных количествах не влияет на линейную усадку при 850°С/24 ч, однако влияет, хотя и незначительно, на усадку по толщине. При 1150°С/24 ч имеет место незначительное увеличение как линейной усадки, так и усадки по толщине, но при 1250°С/24 ч усадка по толщине, хотя и будучи все еще приемлемой, возрастает более значительно при большем добавлении оксида натрия. При этом все указанные показатели являются приемлемыми для определенных областей применения, в то время как в других областях применения добавление Na2O в наибольшем испытанном количестве может быть неприемлемым.As can be seen from the results presented on the right side of Table 2, only a ~ 1% higher silica content has a significant effect on shrinkage, leading to a significant reduction in shrinkage. It turned out that for these fibers, the addition of sodium oxide in all the amounts tested did not affect the linear shrinkage at 850 ° C / 24 h, however, it affected, albeit slightly, the shrinkage in thickness. At 1150 ° C / 24 h, there is a slight increase in both linear shrinkage and thickness shrinkage, but at 1250 ° C / 24 h, the shrinkage in thickness, although still acceptable, increases more significantly with more sodium oxide added. Moreover, all of these indicators are acceptable for certain applications, while in other applications, the addition of Na 2 O in the largest amount tested may not be acceptable.
Улучшение усадки при более высоких уровнях содержания диоксида кремния навело авторов изобретения на мысль обратиться к материалам, содержащим еще более высокие количества диоксида кремния, и полученные результаты представлены в таблице 3.The improvement in shrinkage at higher levels of silicon dioxide led the inventors to consider materials containing even higher amounts of silicon dioxide, and the results are presented in table 3.
24 ч 1150 ° C /
24 h
24 ч 1250 ° C /
24
Представленные результаты показывают низкую усадку и разумно высокую растворимость по всему интервалу. Оказалось, что добавление оксида щелочного металла может увеличивать количество диоксида кремния, который может добавляться для получения поддающегося обработке щелочноземельного силикатного волокна, возможно, с приемлемой растворимостью. Это имеет очень большое значение, поскольку обычно повышение содержания диоксида кремния позволяет применять щелочноземельные силикатные волокна при более высоких температурах.The presented results show low shrinkage and reasonably high solubility over the entire interval. It turned out that the addition of alkali metal oxide can increase the amount of silicon dioxide that can be added to obtain a treatable alkaline earth silicate fiber, possibly with acceptable solubility. This is very important, since usually an increase in the content of silicon dioxide allows the use of alkaline earth silicate fibers at higher temperatures.
На Фиг.6 представлена усадка при различных температурах предварительно сформованных заготовок из ряда щелочноземельных силикатных волокон. Обозначение «SW613» относится к лантансодержащим материалам состава, аналогичного представленным в таблице 3, с изменяющимися согласно указанному содержаниями диоксида кремния, но без добавления какого бы то ни было щелочного металла. [Диоксид кремния и оксид кальция составляют большую часть этого материала, а оксид лантана присутствует в количестве примерно 1,3%]. К волокну одного из этих видов добавлено примерно 2 мас.% MgO. Представлены также значения усадки для традиционного алюмосиликатного волокна (RCF) и магниевого силикатного волокна («MgO силикатное»).Figure 6 presents the shrinkage at various temperatures of preformed blanks from a number of alkaline earth silicate fibers. The designation “SW613” refers to lanthanum-containing materials of a composition similar to those shown in table 3, with varying silica contents according to the indicated, but without adding any alkali metal. [Silica and calcium oxide make up most of this material, and lanthanum oxide is present in an amount of about 1.3%]. About 2 wt.% MgO was added to the fiber of one of these species. Shrinkage values for traditional aluminosilicate fiber (RCF) and magnesium silicate fiber (“MgO silicate”) are also presented.
Можно видеть, что все волокна SW613 имеют меньшую усадку, чем у RCF волокна и MgO силикатного волокна, вплоть до 1350°С, но после этого превышают. Однако с возрастанием содержания диоксида кремния имеет место постепенное повышение огнеупорности. Для волокна SW613, содержащего 77% и 79% SiO2, усадка остается ниже усадок RCF волокна и MgO силикатного волокна, вплоть до 1400°С, и ожидается, что при более высоких содержаниях диоксида кремния она могла бы еще улучшиться. Напротив, можно также видеть, что добавление 2% MgO в составы SW613 оказывает неблагоприятное воздействие на усадку. Щелочноземельные силикатные волокна с высоким содержанием диоксида кремния являются сложными в изготовлении, и добавление щелочных металлов в такие составы должно улучшить качество таких волокон и упростить процесс их производства.It can be seen that all SW613 fibers have less shrinkage than that of RCF fibers and MgO silicate fibers, up to 1350 ° C, but then exceed. However, with increasing silicon dioxide content, there is a gradual increase in refractoriness. For SW613 fiber containing 77% and 79% SiO 2 , the shrinkage remains below the shrinkage of the RCF fiber and MgO silicate fiber, up to 1400 ° C, and it is expected that at higher silica contents it could still improve. On the contrary, it can also be seen that the addition of 2% MgO to SW613 formulations has an adverse effect on shrinkage. High silica alkaline earth silicate fibers are difficult to manufacture, and the addition of alkali metals to such compositions should improve the quality of such fibers and simplify their production process.
Выявив описанные выше результаты, заявители провели испытания по изготовлению полотна на производственной линии с целью подтверждения первоначально полученных результатов по усадке. Использовали основной состав, содержавший:Having identified the results described above, the applicants conducted tests on the manufacture of canvas on the production line in order to confirm the initially obtained results on shrinkage. Used the main composition containing:
в который добавляли различные количества Na2O. Было изготовлено полотно с плотностью 128 кг/м3 и толщиной ~25 мм. Результаты, представленные на Фиг.7, показали значительное повышение прочности полотна при добавлении Na2O.to which various amounts of Na 2 O were added. A web with a density of 128 kg / m 3 and a thickness of ~ 25 mm was made. The results presented in Fig.7, showed a significant increase in the strength of the canvas with the addition of Na 2 O.
Эти результаты относятся к составам, содержащим в качестве одного из компонентов La2O3, но аналогичные влияния добавлений щелочных металлов обнаружены в случае со щелочноземельными силикатными волокнами, не содержащими La2O3 в качестве одного из компонентов.These results relate to compositions containing La 2 O 3 as one of the components, but similar effects of alkali metal additions were found in the case of alkaline earth silicate fibers not containing La 2 O 3 as one of the components.
Авторы изобретения также исследовали свойства других щелочноземельных силикатных волокон, содержащих в качестве щелочноземельного компонента преимущественно магний (магниевые силикатные волокна), и полученные результаты представлены в таблице 4.The inventors also investigated the properties of other alkaline earth silicate fibers containing mainly magnesium (magnesium silicate fibers) as the alkaline earth component, and the results are shown in Table 4.
Представленные в этой таблице результаты показывают, что, в то время как Na2O и K2O оказывают, соответственно, небольшое или большое негативное влияние на усадку, Li2O вряд ли вообще оказывает какое-либо влияние на усадку. Однако это не подразумевает отсутствие какого-либо влияния вообще, и авторы изобретения выявили, что, в то время как волокна с Na2O и K2O были аналогичны волокнам без таких присадок (грубыми), волокно с добавлением Li2O было значительно более тонким и лучшего качества. При более низких количествах Na2O и K2O все же приводят к усадкам, которые являются допустимыми в большинстве областей применения.The results presented in this table show that, while Na 2 O and K 2 O have, respectively, a small or large negative effect on shrinkage, Li 2 O is unlikely to have any effect on shrinkage at all. However, this does not imply the absence of any influence whatsoever, and the inventors found that while fibers with Na 2 O and K 2 O were similar to fibers without such additives (coarse), the fiber with the addition of Li 2 O was significantly more thin and better quality. At lower amounts of Na 2 O and K 2 O still lead to shrinkage, which is acceptable in most applications.
Целью добавления щелочного металла является попытка изменить кривую вязкость-температура для щелочноземельных силикатных материалов таким образом, чтобы обеспечить более полезный рабочий диапазон для этих силикатных материалов. На Фиг.3 графически представлены экспериментальные кривые вязкость-температура для:The purpose of adding an alkali metal is to attempt to change the viscosity-temperature curve for alkaline earth silicate materials so as to provide a more useful operating range for these silicate materials. Figure 3 graphically presents the experimental curves of viscosity-temperature for:
• натриевого стекла с высоким содержанием оксида натрия, имеющего примерно следующий состав в мас.%:• Sodium glass with a high content of sodium oxide having approximately the following composition in wt.%:
• щелочноземельного силикатного расплава, имеющего приблизительно следующий состав:• alkaline earth silicate melt having approximately the following composition:
• такого же щелочноземельного силикатного расплава, включающего соответственно 1 мас.% Na2O и 2 мас.% Na2O в качестве присадки.• the same alkaline-earth silicate melt, comprising respectively 1 wt.% Na 2 O and 2 wt.% Na 2 O as an additive.
График зависимости вязкость-температура для натриевого стекла с высоким содержанием натрия представляет собой плавную линию с возрастанием значений при снижении температуры.The viscosity-temperature graph for high sodium sodium glass is a smooth line with increasing values with decreasing temperature.
Для известного щелочноземельного силикатного расплава (SW) вязкость является более низкой и затем круто возрастает при значении критической температуры (это показано на графике в виде наклона, но это артефакт процесса построения графика, в действительности он представляет гораздо более резкое изменение).For a well-known alkaline-earth silicate melt (SW), the viscosity is lower and then increases steeply at a critical temperature (this is shown in the graph as a slope, but this is an artifact of the graphing process, in reality it represents a much more drastic change).
Добавление Na2O к этому расплаву сдвигает это возрастание в область более низких температур.The addition of Na 2 O to this melt shifts this increase to lower temperatures.
Это расширяет рабочий диапазон расплава таким образом, что он становится менее зависимым от температуры, и, следовательно, область допустимых условий процесса формования волокна из расплава расширяется. Хотя температура потока расплава имеет большое значение, расплав быстро охлаждается в ходе процесса формования волокна, поэтому больший интервал выработочных свойств состава приводит к совершенствованию процесса формования волокна. Добавление оксидов щелочных металлов может также способствовать стабилизации потока расплава, так что для данной совокупности условий существует такое количество, которое снижает содержание корольков.This extends the working range of the melt in such a way that it becomes less dependent on temperature, and therefore, the range of acceptable conditions for the process of forming the fiber from the melt expands. Although the temperature of the melt flow is of great importance, the melt is rapidly cooled during the process of forming the fiber, so a wider range of production properties of the composition leads to an improvement in the process of forming the fiber. The addition of alkali metal oxides can also help stabilize the melt flow, so for a given set of conditions there is an amount that reduces the content of kings.
Кроме того, высказано предположение о том, что в небольших количествах оксиды щелочных металлов служат для подавления разделения фаз в щелочноземельных силикатных волокнах.In addition, it has been suggested that, in small amounts, alkali metal oxides serve to suppress phase separation in alkaline earth silicate fibers.
Поскольку щелочноземельные силикатные системы на своих фазовых диаграммах имеют область с двумя жидкостями, заявители сделали предположение о том, что добавление оксидов щелочных металлов может сдвинуть расплавы за пределы области с двумя жидкостями в область единственной фазы.Since alkaline earth silicate systems have a two-fluid region in their phase diagrams, the applicants have suggested that the addition of alkali metal oxides can move the melts outside the two-fluid region to a single-phase region.
Такое добавление также оказывает влияние на снижение температуры потока расплава, что может способствовать стабильности.Such an addition also has an effect on reducing the temperature of the melt flow, which may contribute to stability.
Эффективность этих мер также показана количеством корольков, присутствующих в готовом материале. В процессе формования волокна капли расплава быстро ускоряются (когда отрываются от вращающегося колеса или выдуваются струей газа) и образуют длинные «хвосты», которые становятся волокнами.The effectiveness of these measures is also shown by the number of kings present in the finished material. In the process of forming the fiber, the melt droplets quickly accelerate (when they break away from the spinning wheel or are blown away by a gas stream) and form long “tails” that become fibers.
Однако та часть капель, которые не образовали волокна, остается в готовом материале в форме частиц, известных в промышленности как «корольки». Корольки обычно ухудшают термические свойства изоляции, сформированной из таких волокон, и поэтому в промышленности обычно стремятся к снижению количества корольков.However, that part of the droplets that did not form fibers remains in the finished material in the form of particles, known in the industry as “kings”. Kings usually degrade the thermal properties of the insulation formed from such fibers, and therefore in industry they tend to reduce the number of kings.
Заявителями было установлено, что добавление незначительных количеств щелочного металла к расплаву оказывает действие по снижению количества корольков, и это показано на Фиг.4 для лантансодержащих материалов согласно таблице 1, где можно видеть, что содержание корольков было снижено с ~51% до ~48%.Applicants found that the addition of small amounts of alkali metal to the melt has an effect on reducing the number of kings, and this is shown in Figure 4 for lanthanum-containing materials according to table 1, where it can be seen that the content of kings was reduced from ~ 51% to ~ 48% .
Подобные эффекты применимы и к безлантановым материалам. В таблице 5 представлены проанализированные составы некоторых щелочноземельных силикатных волокон (с более низкими максимальными температурами применения), изготовленные в соответствии с составами по WO93/15028, которые были получены вытягиванием из расплава при температурах его потока в 1380-1420°С с использованием пары вращающихся прядильных машин.Similar effects apply to implant-free materials. Table 5 presents the analyzed compositions of some alkaline earth silicate fibers (with lower maximum application temperatures), made in accordance with the compositions according to WO93 / 15028, which were obtained by drawing from the melt at a flow temperature of 1380-1420 ° C using a pair of spinning dies cars.
На Фиг.5 представлены экспериментально установленные содержания корольков с границами допустимых погрешностей, показывающих среднеквадратичное отклонение от среднего. Можно видеть, что в интервале от 0,35 до 1,5 мас.% Na2O имеет место статистически значимое улучшение по содержанию корольков, которое является результатом такого добавления. В частности, снижение содержания корольков на 3% при содержании оксида натрия 0,35 мас.% является значительным.Figure 5 presents the experimentally established content of the kings with the boundaries of permissible errors, showing the standard deviation from the mean. You can see that in the range from 0.35 to 1.5 wt.% Na 2 O there is a statistically significant improvement in the content of kings, which is the result of this addition. In particular, a reduction in the content of kings by 3% with a content of sodium oxide of 0.35 wt.% Is significant.
Поскольку неблагоприятного воздействия на усадку при таких уровнях содержания не обнаружено (а на самом деле имеется даже небольшое улучшение), можно видеть, что добавление оксидов щелочных металлов полезно при получении таких материалов.Since there was no adverse effect on shrinkage at such levels of content (and in fact there is even a slight improvement), it can be seen that the addition of alkali metal oxides is useful in the preparation of such materials.
24 ч1000 ° C /
24 h
24 ч1100 ° C /
24 h
Добавление щелочного металла должно происходить в таких количествах, чтобы оно не оказывало избыточного неблагоприятного воздействия на другие свойства волокна (например, усадку), но для различных областей применения то количество, что является «избыточным», будет разным.The addition of alkali metal should take place in such quantities that it does not have an excessive adverse effect on other properties of the fiber (for example, shrinkage), but for different applications, the amount that is "excessive" will be different.
Волокна могут применяться для теплоизоляции и могут образовывать либо составляющую изоляции (например, с другими волокнами, и/или наполнителями, и/или связующими), либо могут образовывать полностью всю изоляцию. Волокна могут быть сформованы в изоляцию в форме полотна.The fibers can be used for thermal insulation and can either form an insulation component (for example, with other fibers and / or fillers and / or binders), or can form the entire insulation. Fibers can be formed into insulation in the form of a cloth.
Хотя изначально исследование было связано главным образом с добавлением Na2O к щелочноземельным силикатным волокнам, заявители обнаружили, что в том случае, когда Na2O использовали в качестве присадки к волокнам с высоким содержанием кальция и низким содержания магния, он имел тенденцию способствовать кристаллизации (и, как следствие, порошкообразности волокон) после воздействия температур ~1000°С. Это можно видеть на Фиг.8, на которой волокна а)-е) имели основные составы, попадающие в область:Although the initial study was primarily related to the addition of Na 2 O to alkaline earth silicate fibers, applicants found that when Na 2 O was used as an additive to fibers with a high calcium and low magnesium content, it tended to promote crystallization ( and, as a consequence, the powderiness of the fibers) after exposure to temperatures of ~ 1000 ° C. This can be seen in Fig. 8, on which the fibers a) -e) had the main compositions falling into the region:
Результаты показывают влияние на внешний вид поверхностей волокон a), b) и c) после воздействия температуры 1050°С в течение 24 часов на волокна, содержащие возрастающие количества Na2O (соответственно с ~0 по 0,5 мас.% и до 1,06 мас.%). Из результатов видно, что волокно, в котором Na2O отсутствует, имеет гладкий внешний вид, что говорит о небольшой кристаллизации, в то время как повышение содержания Na2O ведет к увеличению шероховатости поверхности, что говорит о кристаллизации.The results show the effect on the appearance of the surfaces of the fibers a), b) and c) after exposure to a temperature of 1050 ° C for 24 hours on fibers containing increasing amounts of Na 2 O (respectively, from ~ 0 to 0.5 wt.% And up to 1 , 06 wt.%). The results show that the fiber in which Na 2 O is absent has a smooth appearance, which indicates a small crystallization, while an increase in the content of Na 2 O leads to an increase in surface roughness, which indicates crystallization.
И напротив, волокна d) и e) показали, что при 1100°С волокно, содержащее ~0,5 мас.% K2O, незначительно отличается от волокна, свободного от K2O, и начинает проявлять легкую шероховатость поверхности только при 1150°С.Conversely, d) and e) fibers showed that at 1100 ° C, a fiber containing ~ 0.5 wt.% K 2 O is slightly different from a fiber free from K 2 O, and begins to show a slight surface roughness only at 1150 ° C.
В таблице 6 представлены значения удельной теплопроводности полотен с приблизительной плотностью 96 кг·м-3, сформированных из волокон, основные ингредиенты которых приведены там же. Значения удельных теплопроводностей указанных полотен представлены также на Фиг.9. Из приведенных данных можно видеть, что добавление Na2O и K2O представляется приводящим к более низкой теплопроводности полотен, что говорит об улучшении их изолирующей способности. Table 6 presents the values of the thermal conductivity of paintings with an approximate density of 96 kg · m -3 , formed from fibers, the main ingredients of which are given there. The values of the specific thermal conductivity of these paintings are also presented in Fig.9. From the above data it can be seen that the addition of Na 2 O and K 2 O seems to lead to lower thermal conductivity of the paintings, which indicates an improvement in their insulating ability.
Таким образом, заявители выявили дополнительные преимущества использования оксидов щелочных металлов в качестве присадок к материалу щелочноземельных силикатных полотен, и особое преимущество - при использовании калия. В частности, для устранения способствования кристаллизации посредством натрия, по меньшей мере, 75 мол.% щелочного металла предпочтительно составляет калий. Более предпочтительно по меньшей мере 90%, еще более предпочтительно по меньшей мере 95%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 99% щелочного металла составляет калий.Thus, the applicants have identified additional benefits of using alkali metal oxides as additives to the material of alkaline earth silicate paintings, and a particular advantage when using potassium. In particular, for facilitating removal of sodium by crystallization of at least 75 mol.% Of an alkali metal is preferably potassium. More preferably at least 90%, even more preferably at least 95%, and even more preferably at least 99% of the alkali metal is potassium.
Для проверки совместного влияния La2O3 и K2O на свойства волокон некоторые волокна были сформованы в полотна и испытаны на усадку при различных температурах [24-часовая выдержка при конкретной температуре].To test the combined effect of La 2 O 3 and K 2 O on the properties of the fibers, some fibers were formed into canvases and tested for shrinkage at different temperatures [24-hour exposure at a specific temperature].
Было установлено, что La2O3 мог быть снижен в содержании и заменен на K2O без существенного ухудшения усадочных свойств материалов, но это приводило к началу кристаллизации при более низких температурах, чем в случае с La2O3-содержащими материалами. Однако частичная замена La2O3 оксидом алюминия снимает эту проблему. В таблице 7 указаны ряд испытанных материалов, температура, при которой начиналась кристаллизация, и температура, при которой кристаллы достигли размера ~1 мкм. Все материалы имели основной состав с приблизительно 73,1-74,4 мас.% SiO2 и 24,6-25,3 мас.% CaO, при этом содержание всех прочих ингредиентов составляет менее 3% в сумме.It was found that La 2 O 3 could be reduced in content and replaced with K 2 O without significant deterioration of the shrinkage properties of materials, but this led to the onset of crystallization at lower temperatures than in the case of La 2 O 3 -containing materials. However, the partial replacement of La 2 O 3 with alumina alleviates this problem. Table 7 shows a number of tested materials, the temperature at which crystallization began, and the temperature at which the crystals reached a size of ~ 1 μm. All materials had a basic composition with approximately 73.1-74.4 wt.% SiO 2 and 24.6-25.3 wt.% CaO, while the content of all other ingredients was less than 3% in total.
Соответственно, в предпочтительный интервал составов входят:Accordingly, in the preferred range of compositions include:
72%<SiO2<79%72% <SiO 2 <79%
MgO<10%MgO <10%
13,8%<CaO<27,8%13.8% <CaO <27.8%
Al2O3<2%Al 2 O 3 <2%
ZrO2<3%ZrO 2 <3%
B2O3<5%B 2 O 3 <5%
P2O5<5%P 2 O 5 <5%
95%<SiO2+CaO+MgO+Al2O3+ZrO2+B2O3+P2O5 95% <SiO 2 + CaO + MgO + Al 2 O 3 + ZrO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5
M2O>0,2% и <1,5%,M 2 O> 0.2% and <1.5%,
где М представляет собой щелочной металл, по меньшей мере 90 мол.% которого составляет калий.where M is an alkali metal, at least 90 mol.% of which is potassium.
Более предпочтительно суммарное содержание SiO2 плюс CaO>95%, и в выгодный предпочтительный интервал составов входят:More preferably, the total content of SiO 2 plus CaO> 95%, and in the preferred preferred range of compositions include
72%<SiO2<75%72% <SiO 2 <75%
MgO<2,5%MgO <2.5%
24%<CaO<26%24% <CaO <26%
0,5%<Al2O3<1,5%0.5% <Al 2 O 3 <1.5%
ZrO2<1%ZrO 2 <1%
B2O3<1%B 2 O 3 <1%
P2O5<1%P 2 O 5 <1%
M2O>0,2% и <1,5%,M 2 O> 0.2% and <1.5%,
где М представляет собой щелочной металл, по меньшей мере 90 мол.% которого составляет калий.where M is an alkali metal, at least 90 mol.% of which is potassium.
Особенно предпочтительным интервалом является такой:A particularly preferred range is:
SiO2 74±2%SiO 2 74 ± 2%
MgO<1%MgO <1%
CaO 25±2%
К2О 1±0,5%K 2 O 1 ± 0.5%
Al2O3<1,5%Al 2 O 3 <1.5%
98%<SiO2+CaO+MgO+Al2O3+К2O.98% <SiO 2 + CaO + MgO + Al 2 O 3 + K 2 O.
И в описанные выше предпочтительные интервалы могут входить дополнительно R2O3<0,5 мас.%, где R выбран из группы Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y или их смесей.And the preferred ranges described above may additionally include R 2 O 3 <0.5 wt.%, Where R is selected from the group Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y or mixtures thereof.
В ходе дополнительных испытаний была установлена еще одна область составов волокон, которые давали хорошие результаты. Эти волокна имели состав:In the course of additional tests, another region of fiber compositions was established that gave good results. These fibers had the composition:
SiO=67,8-70%SiO = 67.8-70%
CaO=27,2-29%CaO = 27.2-29%
MgO = 1-1,8%MgO = 1-1.8%
Al2O3=<0,25%Al 2 O 3 = <0.25%
La2O3=0,81-1,08%La 2 O 3 = 0.81-1.08%
K2O=0,47-0,63.K 2 O = 0.47-0.63.
Эти волокна имели высокую прочность (80-105 кПа для полотна с толщиной ~25 мм и плотностью ~128 кг/м3) и низкое содержание корольков (общее содержание ~41%).These fibers had high strength (80-105 kPa for the web with a thickness of ~ 25 mm and a density of ~ 128 kg / m 3 ) and a low content of kings (total content of ~ 41%).
Описанные волокна могут также использоваться в других областях применения, где в настоящее время используются щелочноземельные силикатные волокна (например, в качестве компонентов фрикционных материалов).The described fibers can also be used in other applications where alkaline earth silicate fibers are currently used (for example, as components of friction materials).
Claims (12)
SiO2<86
MgO<10
Аl2О3<2
ZrO2<3
В2O3<5
Р2O5<5
95<SiO2+CaO+MgO+Аl2О3+ZrO2+В2O3+P2O5
и содержат М2O, в котором М представляет собой щелочной металл, и в которых либо
65<SiO2
13,5<СаО<27,5
72<SiO2+ZrO2+В2O3+5Р2O5 и
М2O>0,5, либо
75<SiO2
13,8<СаО<27,8
75<SiO2+ZrO2+В2O3+5Р2O5 и
М2O>0,2.1. Refractory alkaline earth silicate fibers obtained from a melt and containing an alkali metal, in which at least 75 mol.% Of the alkali metal is potassium, and the fibers have a composition, wt.%:
SiO 2 <86
MgO <10
Al 2 O 3 <2
ZrO 2 <3
B 2 O 3 <5
P 2 O 5 <5
95 <SiO 2 + CaO + MgO + Al 2 O 3 + ZrO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5
and contain M 2 O, in which M is an alkali metal, and in which either
65 <SiO 2
13.5 <CaO <27.5
72 <SiO 2 + ZrO 2 + B 2 O 3 + 5P 2 O 5 and
M 2 O> 0.5, or
75 <SiO 2
13.8 <CaO <27.8
75 <SiO 2 + ZrO 2 + B 2 O 3 + 5P 2 O 5 and
M 2 O> 0.2.
97,5 мас.%<SiO2+CaO+MgO+Аl2О3+ZrO2+B2О3+P2O5+M2O.5. The fibers according to claim 1, in which
97.5 wt.% <SiO 2 + CaO + MgO + Al 2 O 3 + ZrO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5 + M 2 O.
0,1 мас.%<R2O3<4 мас.%,
где R выбран из группы Sc, La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y или их смесей.6. The fibers of claim 1, further comprising
0.1 wt.% <R 2 O 3 <4 wt.%,
where R is selected from the group Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, or mixtures thereof.
SiO2 74±2
MgO<1
CaO 25±2
К2O 1±0,5
Аl2O3<1,5
98<SiO2+CaO+MgO+Аl2О3+К2O.10. The fibers according to claim 1, having a composition, wt.%:
SiO 2 74 ± 2
MgO <1
CaO 25 ± 2
K 2 O 1 ± 0.5
Al 2 O 3 <1.5
98 <SiO 2 + CaO + MgO + Al 2 O 3 + K 2 O.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB0424190A GB0424190D0 (en) | 2004-11-01 | 2004-11-01 | Modification of alkaline earth silicate fibres |
GB0424190.7 | 2004-11-01 | ||
GB0502701A GB0502701D0 (en) | 2004-11-01 | 2005-02-09 | Modification of alkaline earth silicate fibres |
GB0502701.6 | 2005-02-09 | ||
US60/717,516 | 2005-09-15 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007120394A RU2007120394A (en) | 2008-12-10 |
RU2416577C2 true RU2416577C2 (en) | 2011-04-20 |
Family
ID=33515882
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007120394/03A RU2416577C2 (en) | 2004-11-01 | 2005-10-26 | Modifying alkali-earth silicate fibre |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN101052597B (en) |
GB (2) | GB0424190D0 (en) |
MY (1) | MY147272A (en) |
RU (1) | RU2416577C2 (en) |
ZA (1) | ZA200702515B (en) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8987154B2 (en) * | 2009-08-04 | 2015-03-24 | Ocv Intellectual Capital, Llc | Modulus, lithium free glass |
KR101223675B1 (en) * | 2009-11-27 | 2013-01-17 | 주식회사 케이씨씨 | Saline soluble ceramic fiber composition |
KR101206365B1 (en) * | 2010-02-24 | 2012-11-29 | 주식회사 케이씨씨 | A composition for preparing ceramic fiber and a biosoluble ceramic fiber prepared therefrom for heat insulating material at high temperature |
JP4975179B2 (en) * | 2010-10-14 | 2012-07-11 | ニチアス株式会社 | INORGANIC FIBER MOLDED BODY, ITS MANUFACTURING METHOD, AND HEATING EQUIPMENT |
CN113415998A (en) * | 2013-03-15 | 2021-09-21 | 尤尼弗瑞克斯 I 有限责任公司 | Inorganic fiber |
JP6559219B2 (en) * | 2014-07-16 | 2019-08-14 | ユニフラックス ワン リミテッド ライアビリティ カンパニー | Inorganic fiber with improved shrinkage and strength |
EP3405447A4 (en) * | 2016-01-19 | 2019-07-17 | Unifrax I LLC | Inorganic fiber |
CN106350939B (en) * | 2016-08-30 | 2018-11-30 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of lower shrinkage lung liquid dissolves the preparation method of fire-retardent fiber felt-rug fastly |
CN106367898B (en) * | 2016-08-30 | 2018-07-06 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of preparation method of antibacterial fire-retardent fiber felt-rug |
CN106367896B (en) * | 2016-08-30 | 2018-07-06 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of preparation method of the compound dissolvable refractory material of calcium and magnesium zirconium apatite |
CN106381611B (en) * | 2016-08-30 | 2018-08-17 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of preparation method of the solvable fire-retardent fiber felt-rug of chromatic colour |
CN106350940A (en) * | 2016-08-30 | 2017-01-25 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | Colorful calcium and magnesium soluble refractory fibre needle-punched fabric preparing method |
CN106367897B (en) * | 2016-08-30 | 2018-07-24 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of preparation method of anti-oxidant magnesium calcium zirconium carbon fire-retardent fiber felt-rug |
CN106567188B (en) * | 2016-08-30 | 2018-08-03 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of preparation method of fluorescence fire-retardent fiber felt-rug |
CN106400300B (en) * | 2016-08-30 | 2018-11-30 | 长兴盟友耐火材料有限公司 | A kind of noctilucence refractory fibre needle punched fabric preparation method |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4882302A (en) * | 1986-12-03 | 1989-11-21 | Ensci, Inc. | Lathanide series oxide modified alkaline-resistant glass |
BR9406117A (en) * | 1993-01-15 | 1996-03-19 | Morgan Crucible Co | Inorganic fibers soluble in saline |
GB9508683D0 (en) * | 1994-08-02 | 1995-06-14 | Morgan Crucible Co | Inorganic fibres |
JP4472218B2 (en) * | 2001-08-30 | 2010-06-02 | ニチアス株式会社 | Inorganic fiber and method for producing the same |
GB2383793B (en) * | 2002-01-04 | 2003-11-19 | Morgan Crucible Co | Saline soluble inorganic fibres |
-
2004
- 2004-11-01 GB GB0424190A patent/GB0424190D0/en not_active Ceased
-
2005
- 2005-02-09 GB GB0502701A patent/GB0502701D0/en not_active Ceased
- 2005-10-26 RU RU2007120394/03A patent/RU2416577C2/en not_active IP Right Cessation
- 2005-10-26 MY MYPI20055036A patent/MY147272A/en unknown
- 2005-10-26 CN CN2005800377172A patent/CN101052597B/en active Active
-
2007
- 2007-03-27 ZA ZA200702515A patent/ZA200702515B/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101052597A (en) | 2007-10-10 |
GB0424190D0 (en) | 2004-12-01 |
GB0502701D0 (en) | 2005-03-16 |
ZA200702515B (en) | 2008-07-30 |
RU2007120394A (en) | 2008-12-10 |
CN101052597B (en) | 2011-08-03 |
MY147272A (en) | 2012-11-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2416577C2 (en) | Modifying alkali-earth silicate fibre | |
EP1725503B1 (en) | Modification of alkaline earth silicate fibres | |
US7875566B2 (en) | Modification of alkaline earth silicate fibres | |
JP4744084B2 (en) | Inorganic fiber soluble in physiological saline | |
JP3676818B2 (en) | High temperature resistant glass fiber | |
CA2255626C (en) | Biosoluble pot and marble-derived fiberglass | |
US20030162019A1 (en) | High temperature resistant vitreous inorganic fiber | |
EP2086897B1 (en) | Inorganic fibre compositions | |
US20050032620A1 (en) | High temperature resistant vitreous inorganic fiber | |
US20030166446A1 (en) | High temperature glass fiber insulation | |
US20090053510A1 (en) | Glass fibers | |
US20120214660A1 (en) | Glass fiber for high temperature insulation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171027 |