用于制造人造玻璃質(zhì)纖維的熔體組合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于制造人造玻璃質(zhì)纖維的熔體組合物以及人造玻璃質(zhì)纖維，該人造玻璃質(zhì)纖維包含下列氧化物(以組合物的重量計(jì))：39-43重量％的SiO2，20-23重量％的Al2O3，至多1.5重量％的TiO2，5-9重量％、優(yōu)選5-8重量％的Fe2O3，8-18重量％的CaO，5-7重量％的MgO，至多10重量％、優(yōu)選2-7重量％的Na2O，至多10重量％、優(yōu)選3-7重量％的K2O，至多2％的P2O5，至多2％的MnO，至多10重量％的R2O，其中Fe(2+)占總Fe的比例大于80％，優(yōu)選占總Fe的至少90％，更優(yōu)選占總Fe的至少95％，并且最優(yōu)選占總Fe的至少97％。
【專利說明】用于制造人造玻璃質(zhì)纖維的熔體組合物

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于制造人造玻璃質(zhì)纖維（MMVF)的熔體組合物。本發(fā)明還涉及形成 人造玻璃質(zhì)纖維的方法以及形成熔體組合物的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，通過以下方法來制造人造玻璃質(zhì)纖維（通常稱為礦物纖維）：提供礦物 材料裝料，在熔爐中熔融該裝料，并使所得的熔體纖維化以形成纖維。該纖維可用于各種用 途，包括隔熱和隔音、消防、生長基質(zhì)、制動(dòng)襯片和振動(dòng)控制。
[0003] 纖維的最終組成通常以包含于纖維中的元素的氧化物來表示，并且公認(rèn)的是，礦 物材料裝料的組成、以及由此導(dǎo)致的熔體和最終纖維的組成能夠影響最終纖維的使用性 能。
[0004] 當(dāng)對用于制造人造玻璃質(zhì)纖維的組合物進(jìn)行配料時(shí)，重要的是，不僅要考慮最終 纖維的性質(zhì)，還要考慮熔融過程、熔體的性質(zhì)、以及這些性質(zhì)對纖維化過程的影響。
[0005] 本發(fā)明涉及巖棉（stone wool)型人造玻璃質(zhì)纖維。
[0006] 通常，（例如）使用級聯(lián)紡絲機(jī)（cascade spinner)，采用外部離心法使巖棉纖維 纖維化。在Chen等人的美國專利U. S. 3, 159, 475中概述了該方法。英國專利GB1，559, 117 進(jìn)行了更加擴(kuò)展的描述。在這種類型的方法中，將礦物熔體供應(yīng)至一組成纖轉(zhuǎn)子的表面上， 該成纖轉(zhuǎn)子與冷的拉絲氣（stripping air)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)以用于拉伸纖維，從而使礦物烙體以 纖維的形式投下來。纖維隨后被運(yùn)載于氣流中并被收集。通常將粘結(jié)劑施加至所形成的纖 維，這有助于最終所形成的網(wǎng)的粘結(jié)，其通常通過固結(jié)、壓縮和固化而實(shí)現(xiàn)。然而在一些情 況中，不使用粘結(jié)劑，而以松散的礦棉形式收集礦物纖維。
[0007] -種可供選擇的纖維化方法是轉(zhuǎn)杯（spinning cup)法，其通常被稱作內(nèi)部離心。 在該方法中，通過以下方法使熔體纖維化：通過高速旋轉(zhuǎn)對熔體加壓使之穿過轉(zhuǎn)杯壁上的 孔，從而形成初級絲，然后通過利用來自于燃燒器的1300-1500°C的熱空氣使該初級絲被拉 細(xì)為最終的纖維，所述燃燒器具有來源于燃燒的過量的氧氣。所述纖維隨后被運(yùn)載于主氣 流中，然后被收集在傳送帶上并被運(yùn)走，以用于進(jìn)一步的加工以形成人造玻璃質(zhì)纖維制品。 與外部離心法相比，轉(zhuǎn)杯法有助于制造含有非常低水平的未纖維化材料的人造玻璃質(zhì)纖維 制品。另一個(gè)優(yōu)勢在于，當(dāng)收集成為纖維網(wǎng)時(shí)，與利用外部離心法相比，纖維往往更大程度 上在收集器的平面內(nèi)取向，這提高了制品的熱絕緣性能。所具有的熱絕緣水平通常以拉姆 達(dá)值（λ )(單位mW/m · K)表示，該λ值是絕緣材料的熱導(dǎo)率的度量。
[0008] 然而傳統(tǒng)上，內(nèi)部離心纖維化法僅僅被廣泛用于使玻璃棉纖維化，玻璃棉比較富 含堿金屬氧化物（尤其是氧化鈉）、具有高二氧化硅含量、低氧化鋁含量并含有氧化硼。該 傳統(tǒng)的玻璃棉熔體在適當(dāng)?shù)牡蜏兀?50-1100°C )下具有轉(zhuǎn)杯法所需的所有性能。另一方面， 傳統(tǒng)的巖棉熔體具有低二氧化硅含量、高氧化鋁含量，并且較不富含堿金屬含量。該巖棉熔 體組合物具有顯著高于玻璃棉熔體的液相線溫度。
[0009] 對于轉(zhuǎn)杯纖維化而言，重要的是，熔體到達(dá)轉(zhuǎn)杯的多孔帶時(shí)的溫度要高于熔體組 合物的液相線溫度。這是為了避免在處理過程中杯中發(fā)生結(jié)晶化。因此，為了在轉(zhuǎn)杯中處 理常規(guī)的巖棉熔體，必須在比玻璃棉熔體高的溫度下使熔體纖維化。很多巖棉熔體在該溫 度下的性質(zhì)通常不適于在轉(zhuǎn)杯中的纖維化。
[0010] 從成本和制造材料二者的觀點(diǎn)來看，轉(zhuǎn)杯中的纖維化過程的溫度通常被限制在 1150-1220°C之間。很多巖棉熔體的熔體性質(zhì)通常不適于在這樣的溫度下的轉(zhuǎn)杯中的纖維 化。
[0011] 取決于熔融方法，標(biāo)準(zhǔn)巖棉熔體可含有相當(dāng)量的金屬鐵（Fe(0))雜質(zhì)。金屬鐵能 夠阻塞轉(zhuǎn)杯中的孔，并且還能夠?qū)е罗D(zhuǎn)杯腐蝕，這增加了轉(zhuǎn)杯需要維修或更換的頻率。
[0012] 除了粘度和液相線溫度等熔體性質(zhì)之外，還需要考慮所得到的纖維的性質(zhì)。在這 些性質(zhì)之中，生物溶解度和高溫穩(wěn)定性是特別重要的。
[0013] 近年來，生物溶解度已經(jīng)被加入人造玻璃質(zhì)纖維所必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)中。即，纖維必 須能夠在生理性介質(zhì)中快速溶解。對于巖棉纖維，生物溶解度與肺中巨噬細(xì)胞的生理環(huán)境 有關(guān)。因此，重要的是在PH4. 5時(shí)快速溶解，目的是防止吸入細(xì)纖維所帶來的任何潛在的不 利影響。
[0014] 高溫穩(wěn)定性也是巖棉纖維的非常需要的性質(zhì)。不僅在人造玻璃質(zhì)纖維被特別地 用于消防制品的情況下如此，而且在纖維被用于建筑物的隔熱或隔音材料的情況下也是如 此。
[0015] W095/01941描述了用于在轉(zhuǎn)杯中纖維化的化鐵爐烙體。雖然該烙體具有用于內(nèi)部 纖維化法的合適的粘度和液相線溫度，但是所制得的纖維在PH4. 5時(shí)的生物溶解度的水平 低，這是因?yàn)槿垠w中具有高水平的二氧化硅。此外，化鐵爐熔體常常含有可測量的量的金屬 鐵，這會(huì)導(dǎo)致有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生金屬鐵熔滴堵塞轉(zhuǎn)杯的孔，從而使纖維化過程停止。
[0016] 在EP1032542中，描述了生物可溶的且耐高溫的纖維組合物。其規(guī)定了大范圍的 Si0jPAl203，并且組合物必須滿足以下要求：R20至少為10重量％，并且0重量％ <Mg0〈15 重量％。大多數(shù)實(shí)施例的二氧化硅含量都高于43重量％，因此，根據(jù)最新的專業(yè)要求，認(rèn)為 只有有限部分的所公開的實(shí)施例能夠在PH4. 5時(shí)生物可溶。當(dāng)存在高水平的MgO時(shí)，二氧 化硅的水平超過43重量％是特別不利的。如EP1032542中的大多數(shù)實(shí)施例那樣，低水平的 MgO可導(dǎo)致較低的耐火性。該文獻(xiàn)特別描述了非熔融法，而其沒有認(rèn)識到熔融過程對于熔體 以及纖維的性質(zhì)的影響。
[0017] 在EP1667939中，描述了生物可溶的、耐高溫的纖維組合物。該組合物需要至少 10%的R 20(Na20+K20)，這導(dǎo)致了高原料成本、可能的與熔融過程相關(guān)的排放問題、以及對纖 維高溫性質(zhì)的限制。
[0018] 因此，雖然之前已經(jīng)嘗試了提供高溫穩(wěn)定的、生物可溶的且能夠通過轉(zhuǎn)杯法制造 的人造玻璃質(zhì)纖維，但是已經(jīng)證明在提供這些特征的同時(shí)使制造成本保持最小化是具有挑 戰(zhàn)性的。人們期望提供仍然滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的、或者特別是在高溫穩(wěn)定性和生物溶解度方面 甚至有所改進(jìn)的進(jìn)一步的人造玻璃質(zhì)纖維組合物。還期望以經(jīng)濟(jì)的方式、更加靈活有效的 生產(chǎn)工藝、以及最小化的與排放有關(guān)的環(huán)境問題來提供所述人造玻璃質(zhì)纖維。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 因此，本發(fā)明的目的是提供用于制造具有良好的耐火性的礦物纖維的熔體組合 物。另一個(gè)目的是提供用于制造具有良好的生物溶解度的礦物纖維的熔體組合物。本發(fā)明 的另一個(gè)目的是提供適合通過已知的巖棉熔融技術(shù)制造并且適用于轉(zhuǎn)杯纖維化方法的熔 體。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供低成本的熔體。本發(fā)明的另一個(gè)目的是將與排放有關(guān)的問 題最小化。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供用于通過轉(zhuǎn)杯法制造礦物纖維的方法。
[0020] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供生物可溶的、高溫穩(wěn)定的、制造經(jīng)濟(jì)的、并且含有低水 平的未纖維化的材料的礦物纖維。
[0021] 因此，本發(fā)明提供一種用于制造人造玻璃質(zhì)纖維的熔體組合物，其包含以組合物 的重量計(jì)的下列氧化物：
[0022] Si02 39-43 φ；?|1;% Al2〇3 20^23 ：Φ；-?1：% Ti02 .個(gè):多〗.5 ΜΜ% Fe2〇.i 5-9 ；ι?；,Φ：% CaO 8-，8 顧％ MgO 5-7 itrn% Na20 至多10重S% K20 至多10重:麗:％ Ρτ〇5 至多2% ΜηΟ 至多2% R2〇 至多i0重
[0023] 其中Fe (2+)占總Fe的比例大于80 %，優(yōu)選占總Fe的至少90 %，更優(yōu)選占總Fe 的至少95 %，并且最優(yōu)選占總Fe的至少97%。
[0024] 在本說明書中，存在于熔體或MMVF中的鐵的含量以Fe203來計(jì)算和表示。這是表 示存在于MMVF、裝料或烙體中的鐵的量的標(biāo)準(zhǔn)方式。當(dāng)闡述Fe 203時(shí)，旨在說明總鐵含量。 所存在的FeO和Fe203的實(shí)際重量百分比將根據(jù)熔體的鐵氧化物的比例和/或氧化還原態(tài) 而有所改變。例如，
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于制造人造玻璃質(zhì)纖維的熔體組合物，包含以組合物的重量計(jì)的下列氧化 物： Si02 39-43 重.5:% Al2〇3 20-23 Mm% T1O2 至多L5重&% Fe203 5-9 重.5:%，優(yōu)選 5-8 重μ% CaO 8-18 重 &% MgO 5-7 重-S:% Na20 至多10重&%，優(yōu)選2-7重 κ20 至多10重&%，優(yōu)選3-7重Μ% P2O5 至多2% MnO 至多2% R2〇 至多請重m% 其中Fe(2+)占總Fe的比例大于80%，優(yōu)選占總Fe的至少90%，更優(yōu)選占總Fe的至 少95 %，并且最優(yōu)選占總Fe的至少97 %。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔體組合物，其中使用磁性分析儀測量的所述熔體中的 Fe (0)含量的讀數(shù)為小于900ppm，優(yōu)選地小于800ppm，更優(yōu)選地小于600ppm，更優(yōu)選地小于 500ppm，并且最優(yōu)選地小于350ppm。
3. -種人造玻璃質(zhì)纖維，具有包含以組合物的重量計(jì)的下列氧化物的組成： Si02 3943 :賴％ AI2〇3 20-23 MM% Ti02 fri 多 1.5 重 Fe203 5-9 :敗g:%，優(yōu)選 5-8 CaO 8-18 重用:％ MgO 5-7 重m% Na20 至多10重量％，優(yōu)選2-7重量％ K20 年多 10.Φ:Μ%,優(yōu)選 3-7 +iRff:% P205 Φ:多 2% ΜηΟ 個(gè):多2% R2〇 個(gè):?ηθ +jfifR'% 其中Fe (2+)占總Fe的比例大于80 %，優(yōu)選地大于90 %，更優(yōu)選地大于95 %，最優(yōu)選地 大于97%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的人造玻璃質(zhì)纖維，其中所述纖維的介電損耗因子ε"小于 0.02,優(yōu)選地小于0.01。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的人造玻璃質(zhì)纖維，其中使用磁性分析儀測量的所述人 造玻璃質(zhì)纖維中的Fe(0)含量的讀數(shù)為小于900ppm，優(yōu)選地小于800ppm，更優(yōu)選地小于 600ppm，更優(yōu)選地小于500ppm，并且最優(yōu)選地小于350ppm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3至5中任意一項(xiàng)所述的人造玻璃質(zhì)纖維，其中以氧化物的重量計(jì)算， K20與Na20的比為1:2至4:1，優(yōu)選為1:1至3:1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3至6中任意一項(xiàng)所述的人造玻璃質(zhì)纖維，其中所述纖維通過轉(zhuǎn)杯法 形成。
8. -種形成人造玻璃質(zhì)纖維的方法，包括通過轉(zhuǎn)杯法使根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔 體組合物纖維化以形成纖維，以及收集所形成的纖維。
9. 一種形成根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔體組合物的方法，包括在熔爐中加熱并熔融 礦物材料，從而制得礦物熔體，以及如有必要，調(diào)整所述熔體的氧化態(tài)以使Fe (2+)占總Fe 的比例大于80 %,優(yōu)選地大于90 %,更優(yōu)選地大于95 %,最優(yōu)選地大于97 %。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過對所述熔體施加電勢來調(diào)整所述熔體的氧 化態(tài)，并且優(yōu)選利用石墨電極來對所述熔體施加電勢。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述熔爐為埋弧爐，該埋弧爐優(yōu)選地使用石墨電 極。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的在熔爐中加熱并熔融礦物材料的步驟包 括： 使粉末狀含碳燃料懸浮于預(yù)熱的燃燒空氣中，并使所述懸浮的含碳燃料燃燒，從而形 成火焰， 使已經(jīng)預(yù)熱的顆粒狀礦物材料懸浮于所述火焰中，并在循環(huán)燃燒室中熔融所述礦物材 料，由此形成所述熔體組合物，所述顆粒狀礦物材料優(yōu)選被預(yù)熱至至少50(TC，更優(yōu)選被預(yù) 熱至至少700°C。
13. -種人造玻璃質(zhì)纖維制品，包含根據(jù)權(quán)利要求3至7中任意一項(xiàng)所述的人造玻璃質(zhì) 纖維，以及粘結(jié)劑。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的人造玻璃質(zhì)纖維制品，其中所述制品含有小于4%的渣質(zhì)。
【文檔編號】C03C3/087GK104203851SQ201280061361
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】梅特·索爾旺, 斯文·格羅弗-拉斯穆森, 瑪?shù)贍柕隆ち_森達(dá)爾·福爾茲查克 申請人:羅克伍爾國際公司