DK156049B

DK156049B - Alkali- og varmebestandige uorganiske fibre

Info

Publication number: DK156049B
Application number: DK117481AA
Authority: DK
Inventors: Osamu Yamamoto; Keishin Takehara; Yutaka Yasiro
Original assignee: Nitto Boseki Co Ltd
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1989-06-19
Also published as: EP0036275B1; JPS56129643A; DK156049C; EP0036275A1; FI67530C; DE3160171D1; NO810880L; NO150076C; ATE3022T1; NO150076B; FI67530B; FI810742L; DK117481A; JPS605539B2; US4363878A

Description

i

DK 156049B

O

Den foreliggende opfindelse angår alkali- og varmebestandige uorganiske fibre, nærmere bestemt alkali-og varmebestandige uorganiske fibre, hvor fiberdannelsestemperaturen er omtrent den samme som for sædvan-5 lige stenuldsfibre.

Indtil nu har visse glasfibre været kendt som alkalibestandige uorganiske fibre. Disse glasfibre udviser imidlertid en høj viskositet i smeltet tilstand, f.eks.

100 poise ved 1400°C. På grund af denne høje viskositet er .

10 det ikke muligt at fremstille korte fibre ved en multirotor--spindeproces, der kun arbejder under betingelser med lav smelteviskositet, som det er tilfældet med stenuldsfibre, der har en viskositet på flere poise ved 1400°C. Der er herudover andre ulemper ved fremstillingen af alkalibestan-15 dige glasfibre. Det er nødvendigt at tilsætte zirconiumoxid, der er kostbart og endvidere giver anledning til forøgede omkostninger ved smeltningen.

Der er for nylig blevet beskrevet alkalibestandige stenuldsfibre, med hvilke der undgås anvendelse af det kost-20 bare zirconiumoxid, der anvendes i konventionelle alkalibestandige glasfibre, jfr. offentliggjort japansk patentan-ansøgning nr. 101.922/1979 og GB-A nr. 2.011.379. Fibrene indeholder som hovedbestanddele 42-50 vægtprocent, Si02, 8-13 vægtprocent A1202, 6-11 vægtprocent jernoxider 25 (beregnet som FeO), 4-11 vægtprocent CaO, og 17-22 vægtprocent MgO. De beskrevne fibre har imidlertid en særdeles høj fiberdannelsestemperatur i sammenligning med sædvanlige stenuldsfibre. Dette bevirker en betydelig forøgelse af energiomkostningerne ved fremstilling af fibre med op-30 timal diameter ved hjælp af multirotorer.

I russisk opfindercertifikat nr. 649.670 beskrives alkalibestandige stenuldsfibre baseret på Si02, MgO, A^O^ og MnO, hvis fiberdannelsestemperatur er relativt lav, dvs. 1340-1400°C. De har imidlertid en ringere 35 varmebestandighed end fibrene ifølge opfindelsen, nemlig kun op til 800°C.

2

O

DK 156049B

Det er et formål med opfindelsen at tilvejebringe alkali- og varmebestandige (over 840°C) uorganiske fibre fremstillet under anvendelse af sådanne naturlige stenarter, slagger og lignende, der står til rådighed 5 i tilstrækkelig mængde set ud fra et ressourcemæssigt synspunkt.

Der tilvejebringes alkali- og varmebestandige uorganiske fibre, der kan fremstilles økonomisk ved rnultirotor-spindeproces s en.

10 Ifølge opfindelsen tilvejebringes der alkali- og varmebestandige uorganiske fibre, der som væsentlige bestanddele indeholder Si02, MgO, Al20g og MnO, og er ejendommelige ved, at de har følgende sammensætning i vægtprocent: 15 Si02 40-50

CaO 0-10

MgO 15-25

Fe203 + FeO 0-10

Al2Og 5-15 20 MnO 2-15 med den forudsætning, at den samlede mængde CaO, Fe2Og, FeO og MnO er højst 20 vægt-%.

På den vedføjede tegning viser fig. 1 et elektron-25 mikroskopisk fotografi af stenuldsfiberprøven ifølge sammenligningseksempel 1 i tabel I, der er blevet underkastet en alkalibestandighedsprøve.

Fig. 2 viser et elektronmikroskopisk fotografi af en prøve af den alkali- og varmebestandige stenuldsfiber 30 ifølge opfindelsen (eksemplet i tabel I), der er blevet underkastet en alkalibestandighedsprøve.

Når man blot ønsker at opnå gode fibre ud fra et udgangsmateriale med relativt lav viskositet uden at interessere sig for alkali- og varmebestandigheden, bør det smeltelige 35 materiales Si02-indhold ligge i området 35-50 vægt-%. Hvis Si02~indholdet ligger under 35 vægt-%, er det vanskeligt at opnå gode korte fibre med en diameter på 2-10 μ, og hvis

O

3 DK 156049 B

Si02“indholdet ligger over 50 vægt-%, bliver fiberdannelsen ved multirotor-spindeprocessen vanskelig på grund af en forøget smelteviskositet. Imidlertid er det med henblik på alkali- og varmebestandigheden, der tilsigtes ifølge opfindel-5 sen, ønskeligt at forøge SiC^indholdet, og hvis SiC^-ind-holdet er mindre end 40 vægt-%, er det vanskeligt at opnå fibre med tilfredsstillende alkali- og varmebestandighed, hvilket hænger sammen med indholdet af andre alkaliske oxider. Alt i alt er det nødvendigt, at SiO2-indholdet ligger 10 i området 40-50 vægt-%, især 45-50 vægt-%.

Med henblik på at forbedre styrken og varmebestandigheden af fibrene bør det smeltelige materiales CaO-indhold begrænses til under 10 vægt-%. Hvis CaO-ind-holdet ligger over 10 vægt-%, forringes varmebestandig-15 heden samt de fysiske egenskaber. Det mest foretrukne CaQ--indhold ligger i området 0-6 vægt-%.

For at kompensere for den ovennævnte CaO-mangel og indstille viskositeten af det smeltelige materiale til en værdi, der er passende ved multirotor-spindeprocessen, 20 bør MgO være til stede i en mængde på 15-25 vægt-%. Hvis MgO-indholdet ligger over 25 vægt-%, bliver ikke blot smelteviskositeten for lav for opretholdelse af en optimal fiberdannelse, men der sikres heller ikke den nødvendige mængde sure oxider, hvilket medfører en formindsket alkalibestan-25 dighed af fibrene. Hvis MgO-indholdet på den anden side ligger under 15 vægt-%, bliver smelteviskositeten for høj til at være egnet til fiberdannelse. Det mest foretrukne MgO--indhold bør ligge i området 18-23 vægt-%.

Fe2C>3 og FeO er nyttige til forbedring af varme-

OA

bestandigheden og fleksibiliteten af fibre med en diameter på 2-10 p.. Hvis indholdet af disse imidlertid overskrider 10 vægt-%, formindskes fibrenes alkalibestandighed imidlertid. Det mest foretrukne indhold af + FeO bør ligge i området 0-8 vægt-%.

or

Aluminiumoxid, A^O^, samt siliciumdioxid, SK^, er effektive til forbedring af fiberstyrken. Ved forøgelse af A^Qg-indholdet bliver smelteviskositeten imidlertid højere, og devitrifikationstemperaturen stiger, hvilket med-

O

4 DK 156049 B

fører en forøgelse af energiomkostningerne ved smeltningen.

Hvis Al203-indholdet overskrider 15 vægt-%, formindskes fibrenes alkalibest'andighed, og hvis det er under 5 vægt-%, kan der ikke opnås gode fibre. A^O^-indholdet bør derfor 5 begrænses til området 5-15 vægt-%, og det mest foretrukne indhold ligger i området 5-10 vægt-%.

Manganoxid, MnQ, har fordelagtige virkninger på dannelsen af en ensartet smelte og giver også fibrene god al-kalibestandighed. Ved stenuldsfibre til forskel fra glas-10 fibre bevirker tilsætning af 2-15 vægt-% MnQ en tilstrækkelig formindskelse af smelteviskositeten, og der optræder en stabiliserende og klarende virkning for smelten. For eksempel vil en tilsætning af 5 vægt-% MnO sænke den optimale fiberdannelsestemperatur med ca. 80°C. Imidlertid 15 er en tilsætning af MnO på over 15 vægt-% ikke blot unødvendig, men også uønsket med henblik på at sikre den nødvendige mængde Si02 for optimal fiberdannelse. Hvis MnO-ind-holdet er under 2 vægt-%, optræder virkningen af MnO som flusmiddel ikke længere. Det mest foretrukne MnO-indhold 20 ligger i området 5-10 vægt-%.

Ud over de ovenfor specificerede mængder af hver bestanddel skal den samlede mængde MnO, CaO, Fe203 °9 ligge inden for 20 vægt-%, fordi den samlede mængde på 20 vægt-% gør viskositeten af det smeltelige materiale opti-25 mal til fiberdannelse ved multirotor-spindeprocessen. En overflødig tilsætning af disse bestanddele udgør en negativ faktor for opretholdelsen af den nødvendige mængde Si02, der er effektiv for alkalibestandigheden.

Titandioxid, Ti00, findes i naturlige stenarter 30 ^ eller slagger, der skal anvendes til det smeltelige materiale, som en urenhed i en mængde på ca. 2 vægt-%.

Det væsentlige naturlige stenmateriale, der anvendes som råmateriale ved fremstilling af uorganiske fibre med den omhandlede sammensætning findes i olivin og meta-35 morfe stenarter deraf, der hver især indeholder 35 vægt-% eller mere af Si02 og MgO. Olivin har den fordel, at det forekommer naturligt overalt i Japan, og står til rådighed som råmateriale til lav pris.

O

5 DK 156049B

En typisk metamorf stenart af olivin er serpentin, der kan anvendes som hel eller delvis erstatning af olivin.

I sammenligning med olivin er MgO-indholdet imidlertid generelt ca. 5% mindre og ca. 3% større. Det 5 er derfor fordelagtigt at anvende olivin ud fra et økonomisk synspunkt og andre synspunkter. For at opnå et udgangsmateriale med den omhandlede sammensætning er det nødvendigt at indstille sammensætningen af det ovennævnte væsentlige naturlige stenmateriale ved at tilsætte de beregnede mæng-10 der basalt, diabas, vermiculit, pyrophyllit og jernmalmslagge for Si02, CaO og Al2C>3, kvartsit og kiselsten for Si02 og mangansilicatmalm, mangancarbonatmalm, manganoxid-malm og siliciummanganslagge for MnO. Udvælgelsen og kombinationen af disse naturlige malme eller slagger er ikke gen-15 stand for nogen særlig begrænsning, medmindre slutsammensætningen afviger fra den omhandlede.

Ved fremstillingen af de alkali- og varmebestandige uorganiske fibre ifølge opfindelsen under anvendelse af de nævnte naturlige stenarter og slagger kan der anvendes kon-20 ventionelt velkendt udstyr og metoder. Det blandede råmateriale smeltes for eksempel i kupolovn ved opvarmning ved 1410-1460°C, den fremkomne smelte får lov at strømme ned på overfladen af spinderotorer til omdannelse af det smeltede materiale til fibre, og de på denne måde dannede fibre op-25 samles ved hjælp af en luftstrøm, der udblæses omkring spin-derotorerne.

Eksempel

Det blandede råmateriale ifølge opfindelsen, der er 30 anført til højre i tabel I, smeltes i en konventionel kupolovn ved opvarmning til 1430°C. Den fremkomne smelte får lov at strømme ned på overfladen af spinderotorer til omdannelse af det smeltede materiale til fibr.e, og de på denne måde dannede fibre opsamles ved hjælp af en luftstrøm, der udblæ-35 ses omkring spinderotoren.

DK 156049B

6

O

I sammenligningseksemplerne 1 og 2 omdannes de blandede råmaterialer, der er anført i tabel I, også til fibre på samme måde som beskrevet ovenfor, idet råmaterialerne dog smeltes ved henholdsvis 1460 og 1540°C, der er de optimale 5 fiberdannelsestemperaturer som vist i tabel II.

Tabel I

i.....— ....... - . — . --------- —--r

Sammenlignings- Sammenlignings- Eksempel 10 eksempel 1 eksempel 2

Slagge 91% Basalt 55% Basalt 45%

Olivin 40 Olivin 40

Kvartsit 9 15

Kvarts it 5 -Kvarts it 10

Mangan-oxidmalm 5 20

Sammensætningen af egenskaberne af de uorganiske fibre, der fås ifølge opfindelsen, er vist i tabel II, hvor der også er anført sammensætninger og egenskaber af andre stenuldsfibre, der ikke omfattes af den foreliggende opfin-25 delse (sammenligningseksempel 1-3).

30 35

O

7

DK 156049 B

Φ ra

H O

c H O O

J o> a i o Q> vo ; 6 covocaHvoHiao cm in -=r o o -=r ;

0) ........ ...» HH

ψ. lAlAOIcO^^HW 00 -=r MO H "J"

s -^r CM HH

w -1---------- tn 10 cn Φ 5 o> '& " t

HH a IO

π m ^ 00

Vin, ro ΐ ·ϊ in h co oo σ> o o o ia

mg' .....I·· .... CO H

rim c- ia on oo cm h cm lovoho ^=r

3 ω .=r c\j Η H on H

td Λ 15 w Φ -1-—------

W

tn cd d w h H o i d cm o , o i O' a 1 o •HH Ό ! HQ) O O CTv H" c— in in ooroo o ia pja ·····!·· .... i—I i—H ' (Dg m co in co oh σ\ h la on ia on sqj^thhh η h cm h

S ω nJ

ω 0) i ! Γ

tO

tn 0) d tn

•Η H O

d H O O

tn a i o

_ _ Η H -¾¾ CO

HQ) -=r-=ronia-=r c-- on cotacoo o

d fe ··.··!· .... OO H

0) g ca c— La o on h cm ^rcoco^r -=r

| 0) (Ο (O H HH

S tø cd Λί CO 0)________

H

0) d i _ H Hi O tn Φ g 30 Q) O Λ Φ

(¾ B{=i jJ

H inooootMtn M +on +j,HOooo 0) , CM O 0Μ0)>ΟΟΟΟ,Η(ηΗ d O O O oo cm O O o) o ia o ia tdHd x Hcd&ooHdHd in 4· to gO)-d •d COOSCMeiSEHut! HHHHH H d «3 2 <u o) -u β m H fe g fe id o) cn o t) fe 35 8

DK 156049 B

O _

tn C

β <d *H Td ^ H fB cm

i Td H O

1 β -P O

d ffl g g tn I <=> o\o 0) H -ri co ro o β H O ih o oo c · φ ή m si*

-3 CO r—I tn φ CO

β m tn ω •H (ti O ·— f tn β ; β 0)

i -H

i S H ft)

\ o\° Td H O

tn o β -P O

10 : · ffl g g i o iU 1 ro H (DM co ; β u o o oo ' (D iw m ^ i tn co ‘ β M-ι t n •H (ti 0 r · - I------ i t nd IC i fl) 15 ·, d *· > i ^ o\° -μ o O oo Φ H tn 0

• · >φβ I O

m Η H ti -H cm (ti >ϋ Η o Γ-

HH-& O

in d H r- h g g S raXi 20 £ tn -p —

·. (D H

-PH U

(D fd O

d > h tn i o

o\o h d -ri CM

cm o (ti S ch o r- • · ih t n o cm tn CD t'- 25 -H tn tn S 0 ~ 3----

cd I I

tn tn tn i

4J -H -H tn H

H tn H Td r-. ih >0 d 3

0 -ri (D β Λ (ti β Φ -P

ih H -P (ti (ti Htti β Φ

^ 4J (ϋ -Ρ-Ρ β CD -Ρ (tiH

•Hg tn -Ρ (D-PtntD -PCD

on η β d o tn td m Φ > tn ft H W -Η Λ (B gCDii-ØL (Dg g ti ·Η> Η·ΗΗ Λ cd H (DM H'-' -p Η >-1 ft Φ -Ρ Φ βφ (d gφ(dιn Sen Λ β Λ X *ϋ ΦΛ^ί'ΰ y 'ti (ti Φ·Η Η φ ΜΉ Ή Φ Φ Φ gr Ιί!Ι Ή ICx! I fa m (d J 1>J! 35

DK 156049 B

0 9

Bemærkninger; 1) Alle procent er vægt-%.

2) Fibrene ifølge sammenligningseksempel 1 er sædvanlige 5 stenuldsfibre.

3) Fibrene ifølge sammenligningseksempel 2 har en sammen sætning, der ikke er omfattet af den foreliggende opfindelse.

4) Sammenligningseksempel 3 svarer til stenuldsfibrene, der 10 er beskrevet i offentliggjort japansk patentansøgning nr. 101.922/1979.

5) Prøvemetoder: 3 a) Alkalibestandighed: 500 cm IN NaOH og ca. 10 g (nøjagtigt afvejet) af prøven anbringes sammen i en tæt 15 lukket 1 liters polyethylenbeholder og nedsænkes i et varmt vandbad, der er reguleret til 80 - 1°C. Efter 24 timer vaskes prøven med rent vand og tørres, hvorefter vægttabet måles.

b) Varmebestandighedstemperatur: En skive med en diame- 20 ter på 500 mm, en tykkelse på 50-80 mm og en vægt fylde på 0,5 anbringes under en belastning på 10 g. Skivens temperatur hæves med en hastighed på 10°c/min. indtil 500°C og derefter med en hastighed på 5°C/min. Temperaturen, ved hvilken prøvens tykkelse er redu- 25 ceret med 10%, tages som varmebestandighedstempera- turen.

Fig. 1 er et scanning-elektronmikroskopisk fotografi (1000 x) af sædvanlige stenuldsfibre, efter at disse er underkastet den ovenfor beskrevne alkalibestandigheds-30 prøve a). Det observeres, at fibrene er så forringede, at de udviser en ru fiberoverflade, og der forekommer smuldrede fiberfragmenter.

Fig. 2 er et scanning-elektronmikroskopisk foto~ grafi (1000 x) af uorganiske __^re ifølge opfindelsen, efter 35 at disse er underkastet den ovenfor beskrevne alkalibestan-dighedsprøve a). Det observeres, at fibrene holder deres 10

DK 156049 B

o oprindelige form, idet der hverken kan påvises ru overflade eller fiberfragmenter, hvilket viser, at alkalibe-standigheden er forbedret i betydeligt omfang.

Som det fremgår af tabel II har fibrene ifølge 5 opfindelsen en overlegen alkalibestandighed i forhold til fibrene ifølge sammenligningseksempel 1 og 2. Fibrene ifølge sammenligningseksempel 3 udviser en alkalibestandighed, der er næsten den samme som for fibrene ifølge opfindelsen. Imidlertid viser eksemplet ifølge opfindelsen den 10 lavere optimale fiberdannelsestemperatur, der muliggør en betydelig energibesparelse ved smeltningen. Varmebestan-dighedstemperaturen af fibrene ifølge opfindelsen er omtrent 140°C højere end for sædvanlige stenuldsfibre.

De uorganiske fibre med god alkali- og varmebe-15 standighed som beskrevet ovenfor kan fremstilles med lave omkostninger i kommerciel målestok og anvendes hovedsageligt som erstatning for asbest i asbestcementplader.

20 25 30 35

Claims

5 A1203 °9 MftO, kendetegnet ved, at de har følgende sammensætning i vægt-%: Si02 40-50 CaO 0-10 MgO 15-25
10 Fe2°3 + Fe0 0-10 A1203 5-15 MnO 2-15 med den forudsætning, at den samlede mængde CaO, Fe203,
15 PeO og MnO er højst 20 vægt-%. 20 25 30 35