TW201605753A - 生物可溶性無機纖維 - Google Patents

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Abstract

本發明的無機纖維是將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成。SiO2：73.6重量%~85.9重量%、MgO：9.0重量%~21.3重量%、CaO：5.1重量%~12.4重量%、Al2O3：0重量%以上且小於2.3重量%及Fe2O3：0重量%~0.50重量%。

Description

生物可溶性無機纖維
本發明是有關於一種生物可溶性無機纖維。
石棉由於輕量、容易操作且耐熱性優異，因此例如用作耐熱性的密封材料。但是石棉被人體吸入會在肺部引起疾病，因此禁止使用，而使用陶瓷纖維等代替石棉。一般認為，陶瓷纖維等的耐熱性程度高至與石棉匹敵，若進行恰當的操作，則在健康上無問題，但有要求更加安全的傾向。因此，以即便被人體吸入亦不會引起或難以引起問題的生物可溶性無機纖維為目標，而開發了各種生物可溶性纖維(例如專利文獻1)。
先前的無機纖維與石棉同樣，與各種黏合劑或添加物一起進行二次加工成定形物或不定形物，而用作熱處理裝置、工業窑爐或焚燒爐等爐的接縫材料，填埋耐火磚、隔熱磚、爆破筒、砂漿耐火物等的間隙的接縫材料，密封材料，封裝材料(packing)，隔熱材料等。使用時大多暴露在高溫下，而要求具有耐熱性。
而且亦存在如下問題：爐內的構件大多使用氧化鋁，二 次加工品所含的纖維與所述氧化鋁反應，從而二次加工品或構件附著或熔融。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-148947
本發明的目的是提供一種生物可溶性、耐熱性及耐氧化鋁反應性優異的無機纖維。
根據本發明，提供以下的無機纖維等。
1.一種無機纖維，其將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成：SiO2：73.6重量%~85.9重量%
MgO：9.0重量%~21.3重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
Al2O3：0重量%以上、且小於2.3重量%
Fe2O3：0重量%~0.50重量%。
2.如1所述之無機纖維，其具有以下的組成：SiO2：74.0重量%~80.0重量%
MgO：9.0重量%~18.0重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
Al2O3：0重量%以上、且小於2.3重量%
Fe2O3：0重量%~0.50重量%。
3.如1或2所述之無機纖維，其中包含9.0重量%以上、且小於16.1重量%的MgO。
4.如1至3中任一項所述之無機纖維，其中包含0.17重量%~2.2重量%的Al2O3。
5.如1至4中任一項所述之無機纖維，其中包含超過0.1重量%、且為10.9重量%以下的ZrO2。
6.如1至5中任一項所述之無機纖維，其中包含超過0.1重量%、且為10.9重量%以下的TiO2。
7.如1至6中任一項所述之無機纖維，其中包含超過0.01mol%、且小於0.20mol%的鹼金屬氧化物。
8.如1至7中任一項所述之無機纖維，其中包含小於0.1重量%的B2O3。
9.如1至8中任一項所述之無機纖維，其中SiO2、MgO及CaO的量的合計為90.0重量%以上。
10.如1至9中任一項所述之無機纖維，其中SiO2、MgO及CaO的量的合計為93.0重量%以上。
11.如1至10中任一項所述之無機纖維，其中SiO2、MgO及CaO的量的合計為96.0重量%以上。
12.一種二次製品或複合材料，其使用如1至11中任一項所述之無機纖維而製造。
根據本發明，可提供一種生物可溶性、耐熱性及耐氧化鋁反應性優異的無機纖維。
本發明的無機纖維將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成。
SiO2：73.6重量%~85.9重量%
MgO：9.0重量%~21.3重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
Al2O3：0重量%以上、且小於2.3重量%
Fe2O3：0重量%~0.50重量%
所謂主成分，是指無機纖維所包含的全部成分中含量(重量%)最高的3種成分(含量第一高的成分、含量第二高的成分、及含量第三高的成分的3種成分)為SiO2、MgO及CaO。
本申請案說明書中，○重量%~△重量%是指○重量%以上、△重量%以下。
就耐熱性的觀點而言，較佳為主成分的3種成分具有以下的組成。
SiO2：74.0重量%~80.0重量%
MgO：9.0重量%~18.0重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
更佳為主成分的3種成分具有以下的組成。
SiO2：74.2重量%~78.4重量%
MgO：9.7重量%~16.1重量%
CaO：5.2重量%~12.2重量%
在本發明的無機纖維中，SiO2量的下限例如可設為73.6重量%以上、73.7重量%以上、74.2重量%以上、74.4重量%以上、75.0重量%以上、或75.8重量%以上。另外，SiO2量的上限例如可設為85.9重量%以下、82.0重量%以下、81.0重量%以下、80.0重量%以下、或78.0重量%以下。下限與上限可任意組合。
在本發明的無機纖維中，MgO量的下限例如可設為9.0重量%以上、9.2重量%以上、9.4重量%以上、9.6重量%以上、9.7重量%以上、10.0重量%以上、11.0重量%以上、或11.8重量%以上。另外，MgO量的上限例如可設為21.3重量%以下、20.0重量%以下、18.0重量%以下、16.0重量%以下、15.0重量%以下、14.0重量%以下、或13.5重量%以下。下限與上限可任意組合。
在本發明的無機纖維中，CaO量的下限例如可設為5.1重量%以上、5.9重量%以上、6.5重量%以上、或7.7重量%以上。另外，CaO量的上限例如可設為12.4重量%以下、12.2重量%以下、11.2重量%以下、或10.2重量%以下。下限與上限可任意組合。
可將SiO2、MgO及CaO的合計設為87.5重量%以上、90.0重量%以上、92.0重量%以上、94.0重量%以上、96.0重量%以上、98.0重量%以上、99.5重量%以上或100.0重量%(其中，可包含不可避免的雜質)。
特定的成分以外的其餘的成分為其他元素的氧化物或雜質等。
在本發明的無機纖維中，Fe2O3量的下限例如可設為0.00重量%以上、或超過0.00重量%。另外，Fe2O3量的上限例如可設為0.60重量%以下、0.50重量%以下、0.40重量%以下、0.30重量%以下、或0.20重量%以下。若Fe2O3量多，則有纖維因加熱而著色、或促進結晶化而強度降低的擔憂。另外，有使耐熱性降低的擔憂。下限與上限可任意組合。
在本發明的無機纖維中，Al2O3量的下限例如可設為0.0重量%以上、超過0.0重量%、0.15重量%以上、或0.17重量%以上。另外，Al2O3量的上限例如可設為小於2.3重量%、2.2重量%以下、2.0重量%以下、1.8重量%以下、1.6重量%以下、1.5重量%以下、1.4重量%以下、1.3重量%以下、或1.2重量%以下。下限與上限可任意組合。
TiO2、ZrO2分別可包含亦可不包含，下限例如分別可設為0重量%以上、0.1重量%以上、0.15重量%以上、0.5重量%以上、1.0重量%以上、1.5重量%以上、2.0重量%以上、或2.5重量%以上。另外，TiO2、ZrO2的上限例如分別可設為12.4重量%以下、12.0重量%以下、10.0重量%以下、8.0重量%以下、6.0重量%以下、5.0重量%以下、3.0重量%以下、2.3重量%以下、2.0重量%以下、1.0重量%以下、0.5重量%以下、小於0.1重量%或為0.05重量%以下。下限與上限可任意組合。
ZrO2較佳為包含0.5重量%~8.0重量%、3.0重量%~7.0重量%，更佳為包含3.5重量%~6.0重量%。可將ZrO2的下限值設為5.05重量%以上或5.5重量%以上。
TiO2較佳為包含0.5重量%~8.0重量%，更佳為包含1.0重量%~7.0重量%。
本發明的無機纖維能以所述調配量的任一個調配量包含選自Al2O3、ZrO2及TiO2的1種或2種以上。
較佳的無機纖維將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成。
SiO2：73.6重量%~85.9重量%
MgO：9.0重量%~21.3重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
Al2O3：小於2.3重量%
Fe2O3：0重量%~0.50重量%
ZrO2：0.00重量%~0.05重量%
較佳的無機纖維將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成。
SiO2：73.6重量%~85.9重量%
MgO：9.0重量%~21.3重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
Al2O3：小於2.3重量%
ZrO2：3.0重量%~7.0重量%
較佳的無機纖維將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成。
SiO2：73.6重量%~85.9重量%
MgO：9.0重量%~21.3重量%
CaO：5.1重量%~12.4重量%
Al2O3：小於2.3重量%
ZrO2：0.0重量%~7.0重量%
TiO2：0.5重量%~8.0重量%
本發明的無機纖維可包含亦可不包含：選自Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y或所述的混合物的各氧化物。可將所述的氧化物的量分別設為3.0重量%以下、2.0重量%以下、1.0重量%以下或0.5重量%以下。
鹼金屬氧化物(Na2O、Li2O、K2O等)分別可包含亦可不包含，所述分別或合計可設為3重量%以下、2重量%以下、1重量%以下、0.5重量%以下、0.4重量%以下、0.3重量%以下、0.2重量%以下、或0.10重量%以下。
另外，可將鹼金屬氧化物的量設為超過0.01mol%、且小於0.20mol%。
ZnO、B2O3、P2O5、SrO、BaO、Cr2O3分別可包含亦可不包含，分別可設為3.0重量%以下、2.0重量%以下、1.0重量%以下、0.5重量%以下、小於0.1重量%或為0.05重量%以下。
另外，可分別任意組合所述各成分的量。
無機纖維可藉由熔融法、溶膠凝膠法等公知的方法進行製造，但為了低成本，較佳為熔融法。在熔融法中，藉由通常的方法，製作原料的熔融物，並將所述熔融物進行纖維化而製造。例如可藉由以下方法而製造：藉由在高速旋轉的轉輪(wheel)上噴流熔解的原料而纖維化的紡紗(spinning)法、及藉由在熔解的原料上噴附壓縮空氣而纖維化的噴吹法等。
本發明的無機纖維的平均纖維直徑通常為0.1μm~50μm，較佳為0.5μm~20μm，更佳為1μm~10μm，最佳為1μm~8μm。平均纖維直徑只要以成為所期望的纖維直徑的方式，藉由轉速、加速度、壓縮空氣壓力、風速、風量等已知的製造方法而調整即可。
另外，本發明的無機纖維可進行加熱處理，亦可不進行加熱處理。
在進行加熱處理時，只要為維持纖維形狀的溫度即可。由於纖維物性會因加熱溫度、加熱時間而變化，因此只要以出現適當所期望的性能(耐蠕變性、收縮率、強度、彈性)的方式進行處理即可。
藉由特定的加熱處理，無機纖維自非晶質變化為晶質，但如上所述的記載般只要出現所期望的性能即可，可為非晶質、晶質的任一種狀態，亦可為非晶質、晶質部分分別混合在一起的狀態。
加熱溫度較佳為600℃以上、800℃以上，更佳為1000℃以上、1200℃以上、1300℃以上、1400℃以上，宜為600℃~1400℃，進 而更佳為700℃~1200℃、800℃~1200℃、700℃~1000℃、800℃~1000℃。
本發明的無機纖維藉由具有所述的組成，而溶解於pH值為7.4的生理鹽水。而且，加熱後(結晶化後)亦具有溶解性。
在實施例記載的測定方法中，溶解速度常數較佳為100ng/cm2．h以上、150ng/cm2．h以上、200ng/cm2．h以上、300ng/cm2．h以上、500ng/cm2．h以上、或1000ng/cm2．h以上。
本發明的無機纖維較佳為氧化鋁反應性低。且較佳為至少在1300℃下不與氧化鋁反應。所謂不與氧化鋁反應，是指在藉由實施例記載的方法測定時，氧化鋁顆粒不熔融附著於由纖維製造的羊毛狀織物(fleece)或毯狀物(blanket)的狀態(非×的狀態)。
在藉由實施例記載的方法測定時，纖維的加熱收縮率在1200℃、1300℃、1350℃、1400℃、8小時的加熱中較佳為20%以下、更佳為10%以下、最佳為5%以下、或3%以下。在1300℃、100小時的加熱中，較佳為10%以下。
本發明的纖維的拉伸強度優異。在藉由實施例記載的方法測定時，纖維的拉伸強度較佳為45kPa以上。
由本發明的纖維可獲得各種二次製品。例如可獲得：塊狀物、毯狀物、預製板(block)、繩、紗、紡織品、塗佈了界面活性劑的纖維、降低或去除了交織(未纖維化物)的未交織塊狀物(shotless bulk)、或使用水等溶劑而製造的板、模具、紙、氈、 含浸了膠體二氧化矽的濕式氈等定形品。另外，可獲得藉由膠體等對所述定形品進行處理的定形品。另外，亦可獲得使用水等溶劑而製造的不定形材料(封泥(mastic)、澆鑄材料(caster)、塗佈材料等)。另外，亦可獲得將所述定形品、不定形品與各種發熱體組合的結構體。
作為本發明的纖維的具體的用途，可例示：熱處理裝置、工業窑爐或焚燒爐等爐中的接縫材料，填埋耐火磚、隔熱磚、爆破筒、砂漿耐火物等的間隙的接縫材料，密封材料，封裝材料，緩衝材料，隔熱材料，耐火材料，防火材料，保溫材料，保護材料，被覆材料，過濾材料，過濾器材料，絕緣材料，接縫材料，填充材料，修補材料，耐熱材料，不燃材料，隔音材料，吸音材料，摩擦材料(例如煞車墊片(brake pad)用添加材料)，玻璃板．鋼板搬送用輥，汽車觸媒載體保持材料，各種纖維強化複合材料(例如纖維強化黏合劑(cement)、纖維強化塑膠等的加強用纖維，耐熱材料、耐火材料的加強纖維，黏接劑、塗佈材料等的加強纖維)等。
[實施例]
實施例1~實施例80、比較例1~比較例14
藉由熔融法製造具有表1、表2所示的組成的纖維，並藉由以下方法進行評價。將結果表示於表1、表2。另外，表中的組成的空欄表示為檢測極限以下(小於約0.01重量%)。
(耐熱性)
作為纖維的耐熱性的評價，測定加熱收縮率。
纖維的加熱收縮率是在由纖維製造羊毛狀織物或毯狀物(長度為150mm、寬度為50mm、厚度為5mm~50mm)，在1200℃~1400℃的特定溫度下前後煅燒8小時或100小時而進行測定。
在所製造的各樣品表面打入2點以上的鉑銷，在加熱前後測定所述鉑銷間的距離，並將其尺寸變化率作為加熱收縮率。
(耐氧化鋁反應性)
藉由直徑為17mm的金屬模具將純度為99%以上的氧化鋁粉末約1g進行壓製成形而製成顆粒。將所述顆粒放置於由纖維製造的羊毛狀織物狀或毯狀物(縱橫為50mm、厚度為5mm~50mm)的樣品上，在所述狀態下在1300℃下加熱8小時，確認加熱後的反應性。將完全不與顆粒反應的情形設為◎，將與樣品輕微附著(用手簡單地將顆粒剝離，外觀上顆粒與樣品不熔融的狀態)的情形設為○，將有反應(顆粒與樣品熔融並附著的狀態)的情形設為×。
(生物可溶性)
藉由以下方法，測定未加熱的纖維及在1300℃下進行8小時加熱處理的纖維的生物可溶性。
將纖維放置於膜濾器(membrane filter)上，在纖維上藉由微型泵滴加pH值為7.4的生理鹽水，將通過纖維、過濾器的濾液積存在容器內。經過24小時後取出所積存的濾液，藉由感應耦合電漿(Inductively Coupled Plasma，ICP)發光分析裝置將溶出成分 定量，並算出溶解度。測定元素設為作為主要元素的Si、Mg、Ca3種元素。測定平均纖維直徑並換算為作為每單位表面積．單位時間的溶出量的溶解速度常數(單位：ng/cm2．h)。
(平均纖維直徑)
藉由電子顯微鏡對400條以上的纖維進行觀察並拍攝後，對所拍攝的纖維測定其直徑，並將全部測定纖維的平均值作為平均纖維直徑。
(拉伸強度)
對纖維實施針刺(needling)處理並製造毯狀物，藉由萬能試驗機測定拉伸強度。毯狀物使用密度約128kg/m3、寬度為50mm、厚度為25mm的樣品。試驗條件是以跨距為100mm的方式將兩端夾住，拉伸速度設為20mm/min。將試驗片破壞時的最大負載加權設為拉伸強度。
[產業上之可利用性]
本發明的無機纖維可作為隔熱材料、及石棉的代替品而用於各種用途。
以上對幾個本發明的實施形態及/或實施例進行了詳細地說明，但本領域技術人員在不實質脫離本發明的新穎的教示及效果的情況下，容易對作為所述例示的實施形態及/或實施例增加大量的變更。因此，所述大量的變更包括在本發明的範圍中。

Claims (12)

  1. 一種無機纖維，其將SiO2、MgO及CaO的3種成分作為主成分，並具有以下的組成：SiO2：73.6重量%~85.9重量% MgO：9.0重量%~21.3重量% CaO：5.1重量%~12.4重量% Al2O3：0重量%以上、且小於2.3重量% Fe2O3：0重量%~0.50重量%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無機纖維，其具有以下的組成：SiO2：74.0重量%~80.0重量% MgO：9.0重量%~18.0重量% CaO：5.1重量%~12.4重量% Al2O3：0重量%以上、且小於2.3重量% Fe2O3：0重量%~0.50重量%。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中包含9.0重量%以上、且小於16.1重量%的MgO。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中包含0.17重量%~2.2重量%的Al2O3。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中包含超過0.1重量%、且10.9重量%以下的ZrO2。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中包 含超過0.1重量%、且10.9重量%以下的TiO2。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中包含超過0.01mol%、且小於0.20mol%的鹼金屬氧化物。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中包含小於0.1重量%的B2O3。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中SiO2、MgO及CaO的量的合計為90.0重量%以上。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中SiO2、MgO及CaO的量的合計為93.0重量%以上。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無機纖維，其中SiO2、MgO及CaO的量的合計為96.0重量%以上。
  12. 一種二次製品或複合材料，其使用如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之無機纖維而製造。
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