CZ329795A3

CZ329795A3 - Glass-fiber wadding

Info

Publication number: CZ329795A3
Application number: CZ953297A
Authority: CZ
Inventors: Soren Lund Jensen; Vermund Rust Christensen
Original assignee: Rockwool Int
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 1996-06-12
Also published as: WO1995029135A1; SI9520005A; PL312244A1; GB9426429D0; FI955973A0; AU2446395A; SK157395A3; FI955973L; CA2165081A1; FI955973A7; EP0703879A1

Description

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká skleněné vaty z chemicky vyrobených vláken (man-made vitreous fibre MMVF), která obsahuje železo a relativně vysoké množství kovů alkalických zemin a nízké množství alkalických kovů, která je běžně známa jako mineráiní, sírusková nebo čedičová vina.

Dosavadní stav techniky

Jsou známé různé typy MMV vláken.

Je známo, že při zpracování tradičních skleněných vláken, se s výhodou do skelné taveniny přidávají složky, které poskytují oxid boritý (borát). To zlepší vlastnosti skla a skelné taveniny. Nicméně suroviny, které obsahují borát, jsou drahé a běžně se, pokud je to možné, vůbec nepřidávají, zejména pokud produkt obsahuje železo a má nízký obsah alkalických kovů a kovů alkalických zemin, jako je tomu u běžných minerálních a struskových tavenin.

Produkty ze skleněné vaty obvykle mají relativně vysoký obsah alkalických kovů (často více než 13% Na₂O + K₂O). V této specifikaci jsou všechny analýzy vyjádřeny jako hmotnost z celkového prostředku, která je měřena jako oxidy. Skleněná vlákna a skleněná vlna obvykle neobsahují železo, ale často obsahují bór. Obvykle obsahují méně než 7% AI₂O₃. Nicméně E-sklo je určeno pro vlákna nebo jiné produkty, které nejsou vatou, a může mít vysoký obsah hliníku a nízký nebo nulový obsah alkalických kovů. Například JP-A-50090719 popisuje E-sklo, které obsahuje 15 až 16% AI₂O₃, 9.5 až 10.5% B₂O₃ a 5% P₂O₅. Neobsahuje železo a sodík.

V EP-A-9418 jsou popsána skleněná vlákna, která mohou mít široké využití v optice a obsahují železo, bór a fosfor. Žádný z uvedených prostředků neobsahuje najednou bór a fosfor a všechny obsahují více než 13% oxidů alkalických kovů.

WO93/07741 popisuje vlákna, která obsahují 0 až 4% P₂O₅, více než 13% Na₂O a do 8% AI₂O₃, která se využívají v zahradnictví. B₂O₃ může být také přítomen, ale celkové množství nečistot (mezi, které se B₂O₃ řadí) nesmí být vyšší než 1%.

Skleněná vata popsaná v EP-A-412878 má vysoký obsah alkalických kovů (více než 13%) a obsahuje borát. Neobsahuje železo. Fosfor je nepovinná složka. Údajně se přidává, aby se zlepšila rozpustnost vláken.

/.čajiΓπώιi jsme se o ziepseni rozpustnosti vieKen v íařvovycn vinách, které se běžně označují jako minerální, struskové nebo čedičové a které obvykle obsahují železo, nízké množství hliníku (méně než 10%), nízké množství alkalických kovů (méně než 7%) a znatelné množství kovů alkalických zemin (více než 12%).

Bylo by bylo žádoucí poskytnout takové vlny, jejichž MMV vlákna jsou rozpustná ve fyziologickém médiu, zejména v plicní tekutině.

Je známo, že složení vláken může znatelně ovlivnit jejich rozpustnost. Například ve W087/05007 je ilustrováno, že vlákna, která mají nízký obsah hliníku, zejména taková, u kterých je tento obsah nižší než 10% hmotnostních prostředku, mají zlepšenou rozpustnost ve fyziologickém prostředí. Je také známo, že zahrnutí fosforu může zlepšit rozpustnost ve fyziologickém médiu. To lze ilustrovat na příkladu vláken minerální vlny z EP-A-459,897. Jedná se o vlákna minerální vlny, která obsahují 1 až 10% fosforu ve formě P₂O₅. Tato složka údajně zlepšuje rozpustnost ve fyziologickém médiu. Lze tedy prohlásit, že zvýšení množství fosforu v tomto rozsahu vede ke zvýšení rozpustnosti.

V průběhu zpracování MMVF vaty se složky, které tvoří vlákna roztaví v peci, jako je elektrická, šachtová, tavící vanová pec nebo kuplovna. Tak vznikne tavenina, která se dá zvláknit. Tavenina má obvykle teplotu tání 1400 až 1600°C, tak se pec vyhřívá nad tuto teplotu. Bylo zjištěno, že zahrnutí znatelného množství fosforu do taveniny může vést k určitým problémům. Například fosfor se v peci může vypařovat, což vede k potížím při kontrole složení. Zejména, může zvýšení množství fosforu vést k nepříznivému ovlivnění viskozity a celkových vlastností. Zvyšuje se riziko tání (pokud je vysoký obsah železa a malý nebo žádný obsah alkalického kovu a nízký obsah hliníku) při fází separace a krystalizace. To vede k tvorbě a akumulaci pevného nebo struskovitého materiálu v nebo na zařízení, které se používá k tvorbě taveniny a * přeměně taveniny na vlákna, a způsobuje zvýšení množství tvorby zrn během tvorby vláken, snižuje materiálovou účinnost a vede k vyšší ceně.

Proto je žádoucí vytvořit MMVF vatu, jejíž charakteristiky rozpouštění jsou takové, jaké lze očekávat u vat, které mají vysoký obsah fosforu, ale při zpracování nedochází k problémům spojeným s relativně vysokým obsahem fosforu.

Uvedené problémy se prohlubují tak, jak roste obsah fosfátu v tavenině. Například problémy se objeví jakmile se obsah fosfátu zvýší nad 5%. V některých pecích je možné použít do 10% fosfátu, ale obecné není pro účely zpracování vhodné používat vyšší obsah.

Ale, dokonce i při nízkém obsahu hliníku a zejména pokud není možné vyrobit taveninu, která obsahuje velmi malá množství hliníku, rychlosti rozpouštění vláken nejsou tak vysoké, jak by bylo žádoucí při těchto množstvích fosfátu.

Proto je žádoucí zlepšit rozpustnost MMV vláken ve fyziologickém médiu aniž by bylo třeba zvyšovat obsah fosfátu, což vede k problémům při zpracování.

Vlákna, která obsahují fosfor a bór jsou popsána ve WO94/23801, od kterého předkládaný vynález nárokuje prioritu.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález poskytuje MMVF vatu, která je tvořena z vláken tvořených prostředkem, který obsahuje, v hmotnosti oxidů (s železem vyjádřeným jako FeO):

SiO₂ 35 až 66%

AI₂O₃ do 10%

CaO 10 až 45%

MgO 2 až 30%

FeO do 10%

Na₂O + K₂O0 až 7%

TiO₂ 0až10%

P₂O₅ + B₂O₃ a další prvky do 20% a která zahrnují jak P₂O₅ tak B₂O₃.

Překvapivě jsme zjistili, že použitím taveniny, která obsahuje borát a fosfát, můžeme získat vlákna s vhodnou fyziologickou rozpustností z taveniny, která se dobře zpracovává a má dobré viskozitní a teplotní charakteristiky, zejména pokud je obsah AI₂O₃ nízký.

Zjistili jsme, že horní limit množství fosfátu 10%, pomůže při snížení problémů při zpracování, zejména ve fázi separace. Obsah je s výhodou 6% nebo méně a obvykle je nižší než 5%. Zjistili jsme, že zahrnutí borátu zvýší rozpustnost vláken ve fyziologickém prostředí bez potřeby použít vysoká množství fosfátu a umožňuje použít fosfát v množství nižším než je 5% při zachování odpovídající fyziologické rozpustnosti. Také jsme zjistili, že borát má další výhodu, a to takovou, že zlepšuje fyzikální vlastnosti taveniny, zejména pomáhá snížit teplotu tání tak, že se sníží riziko oddělení fází.

Také jsme zjistili, že použití bóru do vláken, která obsahují fosfor, vede ke zlepšení vlastností vláken. Například se zlepší pevnost v tahu, modul pružnosti a poměr délky k průměru. Mez pevnosti v tahu je >700 MPa. Modul pružnosti vláken je <150 GPa. Poměr délky k průměru je >700, zejména pokud se vlákna vyrobily v kaskádovém dopřádacím stroji.

Viskozita taveniny prostředku při 1400°C je s výhodou 10 až 70 poise a ještě výhodněji 15 až 30 poise.

Vlákna mají, s výhodou, při pH 7.5 rozpouštěcí rychlost přinejmenším 30 nm/den, s výhodou přinejmenším 50’ nebo přinejmenším 60 nm/den, při měření stacionárním způsobem popsaným v Environmental Health Perspectives, 102, dodatek 5, říjen 1994, strany 83-86.

Vata podle předkládaného vynálezu se může vyrobit jakýmkoliv známým zpúsooem. Předkládaný vynáiez také poskytuje způsob výíooy MMVF vaty, která je tvořena vlákny, která mají složení uvedené výše, a tento způsob sestává z připravení surovin na prostředek, připravení pece, umístění surovin do pece a jejich zahřívání na teplotu 1400 až 1600°C tak, aby vznikla tavenina, zvláknění taveniny a odebrání vláken v podobě vaty.

V tomto způsobu jsme využili všech výhod zpracování, které jsou uvedeny výše. S výhodou se vata podle předkládaného vynálezu vyrábí způsobem podle předkládaného vynálezu.

Při způsobu podle předkládaného vynálezu jsou suroviny, které se použijí k výrobě taveniny, jakékoliv známé suroviny, které se používají k tvorbě prostředku. Suroviny, které se mohou použít, například zahrnují diabas, cement, hlinku, olivínový písek, křemičitý písek, odpadní slévárenský písek, rasorit, kolemanit a další materiály, které obsahují bór, úpravnovou strusku, vysokopecní strusku, strusku z elektrické obloukové pece, oxidy železa, odpadní minerální vlnu, odpadní azbest, vápno, uhličitan sodný, odpadní sklo, dolomitová hmota, bauxit, křemičitan železnatý, kaolín, fosforečnan vápenatý, křemenný písek a další známé tavitelné složky.

Roztavený prostředek a následně i prostředek, z kterého se vyrábí vlákna, s výhodou, sestává z přinejmenším 45%, často přinejmenším 47 nebo 48% SiO₂. Množství je obvykle nižší než 64 nebo 65%, s výhodou, nižší než 60%. Často je množství SiO₂ 53.5 až 64%.

Prostředek má s výhodou nízký obsah hliníku, obecně nižší než 6% a s výhodou nižší než 4%. Obecné je velmi drahé získat suroviny, které neobsahují vůbec žádný hliník, takže AI₂O₃ je v určitém množství přítomen, obvykle v množství přinejmenším 0.5%, ačkoliv množství hliníku se obecně udržuje tak nízké jak je možné, s výhodou, méně než 3 nebo 2%. Množství 1 až 4% jsou často přiměřená.

Prostředky obvykle obsahují přinejmenším 5%, obecně přinejmenším 10% a jeste vynodneji přinejmenším lu/i» oxidu rovu «UKáMCKycn zemin (CaO a MgO). Obecně tato množství nejsou vyšší než 50%. CaO je s výhodou obsažen v množství 10 až 35%. V některých prostředcích je preferováno množství 10 až 20%, ale v jiných je preferováno množství 15 až 30%. MgO je obvykle obsažen v množství přinejmenším 1%, často 5 až 20%, s výhodou 7 až 20%. Například může být v rozmezí 5 až 15%.

Prostředek obsahuje železo a jeho množství je do 10% hmotnostních celkového prostředku, měřeno jako FeO. S výhodou je železo přítomno v množství přinejmenším 0.5 až 1%. Množství do 4% jsou často přiměřená, ale množství mohou být až do 9 nebo 10%, např. v rozmezí 6.5 až 9%.

Prostředek může obsahovat alkalické kovy (Na₂O a K₂O) v množství 0% až 6 nebo 7%. Obecně je Na₂O přítomen v množství 0% až 4% a K₂O je přítomen v množství do 2%. Obvykle je každý přítomen v množství přinejmenším 0.1%, ale oba jsou nepovinné a mohou se vynechat.

Fosfát je v prostředku obecně přítomen v množství 0.5 až 10%, měřeno jako P₂O₅ a často v rozmezí 3 až 6%. Pro účely zpracování je žádoucí, aby množství fosfátu bylo tak nízké, jak je jen možné při * zachování dostatečného množství, aby se udržel žádaný rozpouštěcí efekt. S výhodou je množství fosfátu přinejmenším 0.5, ale méně než 5% (např. do 4.5%), ještě výhodněji méně než 4%. Obvykle je přinejmenším 2% nebo 3%.

Borát je zahrnut v množství do 10%, měřeno jako B₂O₃. Množství je s výhodou vyšší než 0.5 nebo 1%.

Obecně, by ho mělo být přidáno dostatečné množství, aby se zvýšila rychlost rozpouštění ve fyziologickém prostředí, ale použití velkého množství borátu vede k nutnosti použít velmi drahé suroviny. Množství borátu nižší než 5% (např. 4.5% a méně) může poskytnout dobré výsledky ohledně ceny, ale někdy jsou preferovaná množství 7 nebo 8%. Množství musí postačovat k tomu, aby se dosáhlo využitelného efektu, a tak je normálně vyšší než 0.5 nebo 1% a, s výhodou, jé přinejmenším 3%. Množství B₂O₃ je z ekonomických důvodů obvykle nižší než množství P₂O₅.

TiO₂ je nepovinný. Pokud je přítomen, je jeho množství obvykle 0.1 až 2%. Roztavený přípravek může navíc obsahovat 0 až 20% dalších složek, napřiKiaa ĎaO, ZnO, ZrO₂, F₂, Mnu, Li₂O, Sru. Celkové množství ostatních složek obvykle není větší než 5% nebo nanejvýše 10%.

Tavenina a vlákna se s výhodou skládají z:

SiO₂	45 až 46%, s výhodou 46 až 70 nebo 48 až 60%
ai₂o₃	0.5 až 4%
CaO	10 až 35%
MgO	5 až 20%, s výhodou 5 až 15 nebo 7 až 15%
FeO	1 až 10%, s výhodou 1 až 9%
Na₂O	0 až 4%
K₂O	0 až 2%
TiO₂ '	0 až 2%
P₂O₅	přinejmenším 0.5%, ale s výhodou méně než 5%
B₂O₃	přinejmenším 0.5%, ale s výhodou méně než 5%
další složkyO až 5%

všechna procenta jsou hmotnostní procenta celkového prostředku á oxidy železa jsou měřeny jako FeO.

Suroviny se umístí do pece, kde se ohřejí na teplotu 1400 až 1600°C tak, aby vznikla tavenina. Obecně se suroviny ohřejí na přinejmenším 1450°C, s výhodou na teplotu 1450 až 1540°C, obecně na 1480 až 1520°C.

Pece, které se používají v předkládaném vynálezu pro tvorbu taveniny, která se zvlákní, zahrnují kuplovnu, olejem a/nebo plynem vytápěné šachtové pece nebo tavící vanová pece nebo elektrické pece. V těchto pecích je provedení vynálezu zejména výhodné, ačkoliv prostředek vykazuje uvedené výhody také při použití dalších známých typů pecí. Preferované pece jsou takové, do kterých se vhání vzduch. Tvorba strusky a jakékoliv problémy s odpařováním jsou postupem podle předkládaného vynálezu minimalizovány.

Tavenina se zvlákňuje jakýmkoliv známým způsobem. Zejména se může zvlákňovat nalitím do rychle rotující nádoby, která je umístěna v horizontální poloze a má perforované postranní stěny skrz, které se protlačují vlákna nebo nalitím do jednoho nebo více metacích kol. Každé kolo je umístěno na zvláštní horizontální ose Tavenina nalitá na obvod metacího koia se oamršiuje v podobě viáxen. Ačkoliv lze pouzd jeano kolo, s výhodou se používá kaskádový systém, při kterém se tavenina nalije na horní rotor sady rotujících rotorů, kdy každý z nich je umístěn na jiné horizontální ose a nastaven tak, že tavenina stéká z horního rotoru na následující rotor nebo na každý následující rotor v sekvenci, tak že se minerální vlákna z každého rotoru shromažďují ve sběrné komůrce. K tvorbě vláken z minerální taveniny lze použít jakýkoliv známý aparát, který se používá k zvlákňování minerálních tavenin, ale zejména je preferován aparát, který je popsán v naší patentové publikaci W092/06047.

Vlákna se mohou skladovat jako tkanina nebo píst. Tkanina se může překrýt tak, že vznikne plst. Plst se může jakýmkoliv známým způsobem zpevňovat do podoby žádaného produktu z MMVF vaty.

V plsti se obvykle používají pojivá. Například se může nastříkat do vláken předtím něž se shromáždí jako tkanina nebo plst.

Vata může být ve formě tvarované plsti nebo jiných prvků nebo může být ve formě chomáčů nebo granulátů vláken minerální vlny nebo ve formě částic, které jsou vyrobeny z takových chomáčů nebo granulátů.

MMVF vatu lze užít pro jakýkoliv způsob použití, pro který se MMVF vata používá, například v zahradnictví jako růstové médium, pro zvukovou nebo tepelnou izolaci a ochranu, pro ochranu proti ohni a jako plnivo nebo výztuž.

Příklady provedení vynálezu

Dále jsou uvedeny příklady vhodných prostředků (stanovené rentgenovou fluorescenční analýzou a změřené jako hmotnostní %) a jejich rychlosti rozpouštění při pH 7.5 v nm za den. Každý prostředek se může roztavit v kuplovně a zvláknit postupem popsaným ve W092/06047.

Prostředky 1, 2, 3 a 4 patří do rámce předkládaného vynálezu, zatímco 1A, 1 B, 2A, 3A a 4A jsou pro srovnání a ukazují, že vynechání bóru sníží rychlost rozpouštění. Srovnávací prostředky, bez obsahu bóru, mají tendenci tvořit strusku, zejména při vyšším obsahu fosforu.

prostře- dky	SiO₂	aia	TiO,	FeO	CaO	MgO	Na₂O	KjO	BA	^pA	rychlost rozpouštění μ, při
1	53,4	3,6	0,5	2,5	16,9	10,1	3	0,5	5,1	3,2	65,5
1A	56,4	3,5	0.5	1,8	19,7	10,7	4,3	0,5	0	2,8	40,3
1B	54,6	4,3	0,6	2,8	15,6	10,6	4,7	0,6	0	1,3	8,6
2	58,1	3,3	0,5	2,1	18,9	10,3	3,4	0,5	3,2	2,5	53,9
2A	56,4	3,5	0.5	1.8	19,7	10,7	4,3	0,5	0	2,8	40,3
3	47,8	1	0.1	1,1	33,2	8,3	0,1	0,1	2,2	4	54,8
3A	46,9	2,4	0,4	1,3	32	9,2	0,1	0,5	0	6	23,8
4	54,2	2,4	0,1	3,9	21,2	8,2	0,1	0,3	5,9	2,2	57,9
4A	53,2	3,2	0,1	7,3	23,4	5,3	0,1	0,3	0	3,6	16,7

Průmyslová využitelnost

Prostředky podle předkládaného vynálezu lze použít pro výrobu skleněné vaty, která se lépe vyrábí a rychleji rozpouští ve fyziologickém prostředí.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Minerální vlna tvořená MMV vlákny, vyznačující se t í m, že má složení, vyjádřené v hmotnosti oxidů z celkového prostředku, které je

SiO₂ 35 až 66% hmotnostních

AI₂O₃ do 10% hmotnostních

CaO 10 až 45% hmotnostních

MgO 2 až 30% hmotnostních

FeO do 10% hmotnostních

Na₂O + K₂O0 až 7% hmotnostních

TiO₂ 0 až 10% hmotnostních

P₂O₅ + B₂O₃ a další prvky do 20% hmotnostních a která zahrnují jak P-₂O_S tak B₂O₃.
2. Vlna podle nároku 1, vyznačující se t í m, že obsah AI₂O₃ je do 4% a obsah P₂O₅ a B₂O₃ je do 10%.
3. Vlna podle nároku 1 nebo nároku 2, vyznačující se t í m, že obsah SiO₂ je 53.5 až 65%, obsah CaO je 10 až 30%, obsah MgO je 5 až 20% a obsah FeO je do 9%.
4. Vlna podle nároku 1,vyznačující se tím, že prostředek obsahuje

SiO₂ 53.5 až 64% hmotnostních

AI₂O₃ do 4% hmotnostních

CaO 10 až 20% hmotnostních

MgO 10 až 20% hmotnostních

FeO 6.5 až 9% hmotnostních

P₂O_S + B₂O₃do 20% hmotnostních a každý z nich do 10%.
5. Vlna podle nároku 1,vyznačující se tím, že prostředek obsahuje

SiO₂ 53.5 až 65% hmotnostních ai₂0₃ do 4% hmotnostních CaO 15 až 30% hmotnostních MgO 5 až 15% hmotnostních

FeO do 4% hmotnostních

P₂O₅ + B₂O₃do 20% hmotnostních a každý z nich do 10%.
6. Vlna podle nároku 1,vyznačující se tím, že prostředek * obsahuje P₂O_S a B₂O₃ a

SiO₂ 45 až 60% hmotnostních

AI₂O₃ 0.5 až 4% hmotnostních

CaO 10 až 35% hmotnostních

MgO 5 až 15% hmotnostních

FeO 1 až 10% hmotnostních

Na₂O 0 až 4% hmotnostních

K₂O 0 až 2% hmotnostních

TiO₂ 0 až 2% hmotnostních další prvky 0 až 5% hmotnostních
7. Vlna podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se t í m, že obsahuje P₂O₅ v množství 1 až 5% a B₂O₃ v množství 1 až 10%, s výhodou 1 až 5%.
8. Vlna podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se t í m, že obsahuje.P₂O₅ v množství 0.5 až 4.5% a/nebo B₂O₃ v množství 0.5 až 4.5%.
9. Vlna podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se t í m, že její rychlost rozpouštění při pH 7.5 je přinejmenším 30 nm/den.
10. Způsob výroby MMVF vaty, který je uveden v kterémkoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že sestává z připravení surovin na prostředek, připravení pece, umístění surovin do pece při teplotě 1400 až 1600°C tak, aby vznikla tavenina, zvláknění taveniny a odebrání vláken v podobě vaty.
11. Způsob podle nároku 9, v y z n a č u j í c í se t í m, že pec je kuplovna.