Стекло для производства стекловолокна и высокотемпературное кремнеземное волокно на его основе

 

Изобретение относится к составу стекла для производства стекловолокна и высокотемпературному кремнеземному волокну на его основе, предназначенному для изготовления ваты, тканей, нитей, матов и т.п., используемых в качестве высокотемпературной теплоизоляции. Технический результат изобретения состоит в получении стекловолокна и высокотемпературного кремнеземного волокна на его основе с более низким коэффициентом вариации прочности элементарных волокон. Стекло для стекловолокна имеет следующий состав (мас.%): Аl₂O₃ 2,5 -3,5; Na₂O 20-25; CoO 0,01-1,0; SO₃ 0,01-1,0; SiO₂ - остальное, а также по крайней мере один оксид из группы: CaO, MgO, TiO₂, Fe₂O₃ ZrO₂ в следующих количествах (мас. %): СаО 0,01-0,5; MgO 0,01-0,5; TiO₂ 0,01 -0,1; Fе₂O₃ 0,01-0,5; ZrO₂ 0,01-0,5. Высокотемпературное кремнеземное волокно содержит, мас. %: SiO₂ 94-96; Аl₂O₃ 3-4; Na₂O 0,01-1,0; СоO 0,01-1,0; SO₃ 0,01-1,0, а также по крайней мере один оксид из группы CaO, MgO, TiO₂, Fе₂O₃, ZrO₂ в следующих количествах (мас. %): CaO 0,01-0,5; MgO 0,01-0,5; TiO₂ 0,01-0,1; Fе₂O₃ 0,01-0,5; ZrO₂ 0,01-0,5. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к составам стекол для производства стекловолокна и высокотемпературным кремнеземным волокнам на его основе, получаемым методом выщелачивания. Из кремнеземных волокон изготавливают вату, ткани, нити, ленты, маты и др., используемые в качестве высокотемпературостойкой (1000^oC) теплоизоляции в различных областях техники, кислото-, влаго-, термостойких наполнителей композиционных материалов, высокоэффективных фильтров для тонкой очистки расплавов черных и цветных металлов, носителей катализаторов для химической, пищевой промышленности и для дожига отходящих газов, материалов для изготовления пожарной одежды и спасательных устройств и т.д.

Известны различные составы стекол, используемые для получения высотемпературных кремнеземных волокон. К ним относятся простые натрийсиликатные стекла с различным соотношением SiO₂ : Na₂O, а также сложные, такие как бесщелочное алюмоборосиликатное, алюмотитанофосфатное, алюможелезосодержащее и др. (Стеклянные волокна. Под ред. М.С.Аслановой, М. Химия, 1979, с.203).

Недостатком простых натрийсиликатных стекол является их высокая химическая неустойчивость к воздействию ссужающей среды, что требует применения специальных замасливателей с защитными свойствами и ухудшает процесс текстильной переработки волокна и, как следствие, качество получаемых кремнеземных материалов.

При выщелачивании волокон из многокомпонентных стекол в раствор переходит более 50% оксидов, входящих в состав стекла, в результате чего волокна имеют непрочный кремнекислородный каркас и низкие прочностные характеристики, что в конечном итоге также сказывается на технических характеристиках получаемых материалов. Кроме того, большое количество компонентов, таких как Al₂O₃, MgO, CaO и др., выбрасываются вместе с отработанными растворами в сточные воды.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности является состав стекла по заявке WO 98/51631 кл C 03 C 25/00, 13/00, 25/06 1998 г. , включающий (мас.%) SiO₂ - 70 - 75; Al₂O₃ - 1-5; Na₂O и/или K₂O - 15-25.

Недостатком этого состава является нестабильность процесса выработки волокна, повышенная капиллярная обрывность, связанная с достаточно высоким поверхностным натяжением расплава стекла, что увеличивает расход стеклошариков и снижает производительность процесса.

На основе этого состава стекла после выщелачивания получают кремнеземное волокно следующего состава (мас.%): SiO₂ - 85-99, Al₂O₃ - 1-5, Na₂O и/или K₂O - 0-10, CaO - 0-3, MgO - 0-2, B₂O₃ - 0-2, TiO₂ - 0-1, Fe₂O₃ - 0-1, ZrO₂ - 0-1, BaO, PbO, ZnO, Cr₂O₃, F - 0-0,5.

Недостатком указанных кремнеземных материалов является их неоднородность по прочностным характеристикам, обусловленная нестабильностью выработки исходного волокна.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке состава стекла, позволяющего осуществлять стабильный процесс выработки непрерывного и штапельного волокна, обеспечивающего повышение КПВ (коэффициента полезного времени), т.е. производительности стеклоплавильного сосуда.

Технический результат от использования изобретения состоит в получении кремнеземного волокна с более низким коэффициентом вариации прочности элементарных волокон, что дает возможность стабилизировать прочностные характеристики кремнеземных материалов в целом, особенно при их эксплуатации в области высоких температур.

Этот результат достигается тем, что стекло для стекловолокна, включающее SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, дополнительно содержит CoO и SO₃ при следующем соотношении компонентов, (мас.%); Al₂O₃ - 2,5-3,5 Na₂O - 20-25 CoO - 0,01-1,0 SO₃ - 0,01-1,0 SiO₂ - остальное Стекло может содержать по крайней мере один оксид из группы CaO, MgO, ZrO₂, TiO₂, Fe₂O₃ в следующих количествах (мас.%): CaO - 0,01-0,5 MgO - 0,01-0,5 TiO₂ - 0,01-0,1
Fe₂O₃ - 0,01-0,5
ZrO₂ - 0,01-0,5
Технический результат достигается также тем, что высокотемпературное кремнеземное волокно, включающее SiO₂ и Al₂O₃, дополнительно содержит CoO и SO₃ при следующем соотношении компонентов (мас.%):
SiO₂ - 94-96
Al₂O₃ - 3-4
Na₂O - 0,01-1,0
CoO - 0,01-1,0
SO₃ - 0,01-1,0
Кремнеземное волокно может также содержать по крайней мере один оксид из группы CaO, MgO, TiO₂, Fe₂O₃, ZrO₂ в следующих количествах, (мас.%):
CaO - 0,01-0,5
MgO - 0,01-0,5
TiO₂ - 0,01-0,1
Fe₂O₃ - 0,01-0,5
ZrO₂ - 0,01-0,5
Пример 1 осуществления изобретения.

Для получения непрерывного стеклянного волокна предлагаемого состава готовят шихту, содержащую (мас.%): SiO₂ - 72,39; Al₂O₃ - 2,5; Na₂O - 25; CoO - 0,01; SO₃ - 0,1. Шихту загружают в электропечь и плавят при температуре 1480 ± 10^oC. Из расплавленной стекломассы формуют непрерывное стеклянное волокно диаметром 6-9 мкм при температуре 1260±50^oC на 400-фильерных стеклоформующих агрегатах. Полученное волокно характеризуется прочностью 1030 МПа и поверхностным натяжением 0,318 Н/м.

Выщелачивание волокна осуществляют горячим раствором серной кислоты концентрацией 2N (~10%) при температуре 98 ± 2^oC. Время контакта волокна с рабочим раствором кислоты 60 мин. Отмывку выщелоченного волокна от кислоты, продуктов реакции и замасливателя осуществляют водопроводной водой до pH 3-5. Окончательную отмывку волокна осуществляют обессоленной водой с одновременным его обезвоживанием.

Приготовление составов стекол, выработку и выщелачивание волокна по примерам 2, 3 осуществляют аналогично примеру 1. В табл. 1, 2 приведены составы стекол, свойства расплава, характеристики процесса выработки, свойства стеклянного и кремнеземного волокна.

В табл.3 представлены прочностные характеристики кремнеземных материалов после выдержки их при температуре эксплуатации (1000^o).

Приведенные в табл. 2, 3 данные подтверждают, что введение оксидов кобальта и серы в состав стекла позволяет повысить однородность стекломассы, снизить ее поверхностное натяжение, уменьшить обрывность волокна при выработке и тем самым повысить и стабилизировать технические характеристики кремнеземных волокон и материалов на их основе.

Формула изобретения

1. Стекло для производства стекловолокна, включающее SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит CoO и SO₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al₂O₃ - 2,5 - 3,5
Na₂O - 20 - 25
CoO - 0,01 - 1,0
SO₃ - 0,01 - 1,0
SiO₂ - Остальное
2. Стекло по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по крайней мере, один оксид из группы: CaO, MgO, TiO₂, FeO₃, ZrO₂ в количествах, мас.%:
CaO - 0,01 - 0,5
MgO - 0,01 - 0,5
TiO₂ - 0,01 - 0,1
FeO₃ - 0,01 - 0,5
ZrO₂ - 0,01 - 0,5
3. Высокотемпературное кремнеземное волокно, включающее SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, отличающееся тем, что оно содержит CoO и SO₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al₂O₃ - 3 - 4
Na₂O - 0,01 - 1,0
CoO - 0,01 - 1,0
SO₃ - 0,01 - 1,0
SiO₂ - Остальное
4. Высокотемпературное кремнеземное волокно по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по крайней мере, один оксид из группы CaO, MgO, TiO₂, FeO₃, ZrO₂ в следующем количестве, мас.%:
CaO - 0,01 - 0,5
MgO - 0,01 - 0,5
TiO₂ - 0,01 - 0,1
FeO₃ - 0,01 - 0,5
ZrO₂ - 0,01 - 0,5в

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4