Стекловолокна
Изобретение относится к области стекловолокон, более конкретно к волокнам, предназначенным для включения в фильтры, или разделители аккумуляторной батареи, или другие технические изделия, как правило, в применениях, где волокна присутствуют в качестве составных частей бумажных листов. Стекловолокна, химический состав которых включает следующие составные части с массовым содержанием, которое изменяется в пределах, определенных ниже: SiO2 50-70%, Al2O3 0-5%, CaO+MgO 0-7%, Na2O 5-15%, K2O 0-10%, BaO 2-10%, SrO 2-10%, ZnO<2%, B2O3 5-15%. Технический результат – повышение химической стойкости стекловолокна, устойчивости к старению, а также механической прочности. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 пр., 2 табл.
Изобретение относится к области стекловолокон. Оно относится более конкретно к волокнам, предназначенным для включения в фильтры или разделители аккумуляторной батареи или другие технические изделия, как правило, в применениях, где волокна присутствуют в качестве составных частей бумажных листов. По смыслу настоящего изобретения бумага понимается как полотна, образованные перепутыванием стекловолокна, полученного с помощью процесса изготовления бумаги.
Обычно эти процессы заключаются в помещении стекловолокон, имеющих требуемые размеры, в водную суспензию или дисперсию с пригодными добавками, нанесении этого жидкого препарата на ленту фильтра, отсасывая с помощью отсасывающих устройств избыточную часть жидкой фазы, где это необходимо, повторяя стадию нанесения водного препарата и фильтрации с целью введения количества дополнительных волокон, необязательном проведении операции прессования для уменьшения толщины слоя, и извлечении дополнительного количества воды, и окончании с фазой сушки сформированного таким образом листа волокнистого материала.
Вышеупомянутые применения требуют, чтобы стекловолокна имели высокую химическую стойкость, в частности, к кислотам. Это свойство является желательным, в частности, в контексте изготовления бумаги. Устойчивость к старению во влажном состоянии также должна быть хорошей, в частности, когда фильтры используются для фильтрации воздуха из чистых комнат. Однако важно, чтобы волокна позволяли быстро удалять их в физиологических жидкостях в легочной среде, чтобы предотвратить вызывание респираторных заболеваний при их вдыхании.
Другие полезные свойства волокон также включают в себя механическую прочность, в частности, прочность при растяжении, для того чтобы облегчить придание формы и последующую обработку листов бумаги (развертывание, складывание, резание и т.д.). Химический состав стекла должен также быть пригодным для расплавления, затем формирования тонких волокон, в частности, с помощью процесса выработки волокна раздувом пламенем, который приводит к требованиям с точки зрения вязкости стекла и температуры ликвидуса.
Целью изобретения является предложить композиции стекла, которые удовлетворяют эти различные требования.
Для этой цели одним предметом изобретения является стекловолокно, химический состав которого включает в себя следующие составные части с массовым содержанием, которое изменяется в пределах, определенных ниже:
SiO2 50-70%
Al2O3 0-5%
CaO+MgO 0-7%
Na2O 5-15%
K2O 0-10%
BaO 2-10%
SrO 2-10%
ZnO<2%
B2O3 5-15%.
По всему настоящему тексту содержания выражены в массовых процентах.
Содержание SiO2 находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 55% до 68%, в частности, от 60% до 67%. Содержания, которые слишком высоки, приводят к вязкостям, которые слишком высоки, которые будут неблагоприятно влиять на плавление стекла и также, соответственно, на способность к выработке волокон из него.
Содержание Al2O3 находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 1% до 4%, в частности, от 1,5% до 2,5%. Его присутствие приводит к устойчивости стекла к старению во влажном состоянии и увеличенной прочности при растяжении. Содержания, которые слишком высоки, однако способны увеличивать биостойкость волокон в легких.
Сумма содержаний CaO и MgO (обозначенная CaO+MgO) находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 2% до 6%, в частности от 2,5% до 5%. Содержание CaO предпочтительно находится в интервале, продолжающемся от 1% до 4%, в частности от 1,5% до 3%. Содержание MgO предпочтительно находится в интервале, продолжающемся от 1% до 3%, в частности от 1% до 2%. Присутствие этих двух оксидов щелочноземельных металлов способно облегчать плавление стекла, но высокое содержание может повысить температуру ликвидуса и поэтому негативно влияет на выработку волокон из стекла.
Содержание Na2O находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 6% до 12%, в частности, от 7% до 10%. Содержание K2O находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 1% до 7%, в частности, от 2% до 5%. Присутствие этих оксидов щелочноземельных металлов также делает возможным облегчить плавление стекла, но высокие содержания ведут к ухудшению прочности во влажном состоянии.
Содержание BaO находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 3% до 8%, в частности, от 3% до 6%.
Содержание SrO находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 2% до 5%, в частности, от 2% до 4%. Этот оксид оказался особенно полезным в том, что он помогает уменьшить биостойкость волокон без отрицательного влияния на стойкость к кислотам и стойкость к старению во влажном состоянии.
Содержание ZnO составляет преимущественно не более 1%, в частности, равно нулю, за исключением нежелательных примесей.
Содержание B2O3 находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 8% до 13%, в частности, от 9% до 12%. Этот оксид имеет положительное влияние, что касается биостойкости волокон.
Само собой разумеется, что различные предпочтительные интервалы, приведенные выше, могут сочетаться свободно друг с другом, причем нет возможности перечислить все различные сочетания по соображениям краткости.
Предпочтительно, общее содержание SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, BaO, SrO и B2O3 составляет, по меньшей мере, 95%, в частности, 97%, и даже 98% или 99%.
Другие компоненты могут присутствовать в химическом составе волокна в соответствии с изобретением, или заведомо в качестве примесей, присутствующих в сырьевых материалах, или происходя из огнеупорных материалов печи. Ими могут быть, в частности, SO3, происходящий от добавки сульфата натрия или кальция в качестве осветлителя стекла. Ими могут быть также оксиды железа или титана, присутствующие в качестве примесей многих сырьевых материалов. Ими могут быть также фтор (F2), который облегчает плавление стекла, или оксид циркония (ZrO2), который повышает механическую прочность волокон.
Некоторые предпочтительные сочетания описаны ниже.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления стекловолокна имеют химический состав, который включает в себя следующие составные части с массовым содержанием, которое изменяется в пределах, определенных ниже:
SiO2 55-68%
Al2O3 1-4%
CaO 1-4%
MgO 1-3%
Na2O 6-12%
K2O 1-7%
BaO 3-8%
SrO 2-5%
ZnO<1%
B2O3 8-13%.
В соответствии с одним особенно предпочтительным вариантом осуществления стекловолокна имеют химический состав, который включает в себя следующие составные части с массовым содержанием, которое изменяется в пределах, определенных ниже:
SiO2 60-67%
Al2O3 1,5-2,5%
CaO 1,5-3%
MgO 1-2%
Na2O 7-10%
K2O 2-5%
BaO 3-6%
SrO 2-4%
ZnO 0
B2O3 9-12%.
Химический состав стекловолокон в соответствии с изобретением является предпочтительно таким, что температура, при которой стекло имеет вязкость 1000 пуаз (1 пуаз=0,1 Па·с), составляет не более 1200°C, предпочтительно не более 1150°C и даже не более 1100°C. Таким образом, состав волокон является совершенно подходящим для выработки волокна раздувом пламенем.
Средний диаметр волокон в соответствии с изобретением находится предпочтительно в интервале, продолжающемся от 0,1 до 3 μм, в частности, от 0,2 до 2 μм.
Другим предметом изобретения является способ изготовления стекловолокон в соответствии с изобретением, содержащий этап плавления стекла, имеющего по существу такой же химический состав, как химический состав упомянутых волокон, затем этап выработки волокон.
Этап плавления делает возможным получение ванны расплавленного стекла из одной партии смеси.
Партия смеси содержит различные природные и/или искусственные сырьевые материалы, например, кварцевый песок, полевые шпаты, карбонат натрия, боракс, карбонат стронция и т.д.
Пламенная печь включает в себя, по меньшей мере, одну подвесную горелку (пламена располагаются над ванной стекла и нагревают ее посредством излучения) или погружную горелку (пламена создаются непосредственно внутри ванны стекла). То есть каждая горелка может снабжаться различными топливами, такими как природный газ или мазут.
Понятно, что "электроплавка" означает то, что стекло плавится за счет эффекта Джоуля посредством электродов, погруженных в ванну стекла при исключении любого использования другого нагревательного устройства, такого как пламена. Партию смеси нормально распределяют равномерно по поверхности ванны стекла с помощью механического устройства, и, таким образом, создается тепловой экран, который ограничивает температуру над ванной стекла, так что наличие верхнего строения (печи) не всегда необходимо. Электроды погружают в расплавленное стекло. Они могут подвешиваться, так чтобы опускаться сверху в ванну стекла, вставляться в рабочее пространство, или еще вставляться в боковые стенки ванны. Первые две опции обычно предпочтительны для большеразмерных ванн, для того, чтобы распределять нагрев ванны стекла как можно лучше. Электроды предпочтительно изготовлены из молибдена или даже необязательно изготовлены из оксида олова. Молибденовый электрод предпочтительно проходит через рабочее пространство посредством водоохлаждаемого держателя стального электрода.
Выработку волокна осуществляют предпочтительно с помощью раздува пламенем.
Выработка волокна раздувом пламенем состоит из подвергания стекложгутов воздействию высокоскоростного пламени. Жгуты вытягиваются механически из фильеры, содержащей расплавленное стекло, затем подхватываются пламенем из горелки, причем упомянутое пламя развивается предпочтительно перпендикулярно направлению жгута. Фильера оснащена предпочтительно в ее нижней части множеством отверстий, посредством которых образуются первичные филаменты, затем собираются, чтобы сформировать стекложгуты.
В соответствии с одним вариантом осуществления этап выработки волокон может осуществляться непосредственно с использованием расплавленного стекла, полученного с помощью этапа плавления. В соответствии с другим вариантом осуществления расплавленному стеклу сначала придают форму в виде шариков, которые затем переплавляются в фильере для того, чтобы образовать расплавленное стекло, которое затем подвергают воздействию этапа выработки волокна.
Выработка волокна может также осуществляться другими способами, в частности, с помощью внутреннего центрифугирования.
Выработка волокна внутренним центрифугированием состоит из введения потока расплавленного стекла в центрифугу, также называемую центробежным разбрасывателем выработки волокон, вращающуюся с высокой скоростью, и с пробитым по ее периферии очень большим количеством отверстий, через которые стекло выпускается в виде филаментов (отдельных нитей) под действием центробежной силы. Затем эти нити подвергают действию кольцевого высокотемпературного потока раздува, который получают с помощью горелки, которая прицеплена на стене центрифуги, каковой поток раздувает упомянутые филаменты и превращает их в волокна. Образованные волокна переносятся этим раздувающим газовым потоком к устройству приема.
Другим предметом изобретения является лист бумаги или полотно, содержащий волокна в соответствии с изобретением.
Этот лист бумаги может быть получен любым известным способом, в частности, способом "изготовления бумаги", который состоит в диспергировании волокон в водной среде, которая обычно является кислой, в выкладывании на стол под действием вакуума, затем в сушке полученного листа.
Полотно обычно представляет собой нетканый холст из стекловолокон, полученный с помощью технологии сухого холстоформирования, в котором волокна от аэродинамической выработки волокон, выработки волокон пламенным раздувом или центробежной выработки собирают на принимающий элемент и формируют в тонкие листы. Нетканые материалы отличаются от основ типа бумаги в том, что они содержат относительно длинные волокна, при этом используемые для бумаги волокна короче, причем обычно имеют длину менее 5 мм.
Другим предметом изобретения является также фильтр или разделитель аккумуляторной батареи, включающий в себя, по меньшей мере, один лист бумаги в соответствии с изобретением. Фильтр представляет собой, в частности, высокоэффективный сухой воздушный фильтр типа HEPA (High Efficiency Particulate Air), при этом имеет, в частности, по меньшей мере, класс H12 по смыслу стандарта NF EN 1822.
Другим предметом изобретения является сердцевина изоляционной панели, образованной наложением множества описанных выше листов бумаги или полотен.
Эта структура сердцевины может быть использована для образования изоляционных панелей. Другим предметом изобретения является поэтому панель вакуумной изоляции, содержащая сердцевину, в соответствии с изобретением расположенную в газонепроницаемой оболочке, как правило, изготовленной из многослойной пластиковой пленки, которая алюминизирована или которая включает, по меньшей мере, один лист алюминия, причем сборка размещается под вакуумом и герметизируется так, чтобы внутреннее давление в оболочке составляло порядка менее чем 0,5 мбар.
Полотна или листы, скомпонованные для образования сердцевины, могут быть идентичными друг другу, или различными, в частности, из-за характеристик волокон, формирующих их. В частности, известно образование внешних поверхностей сердцевины с помощью волокон относительно меньшего диаметра, чем у волокон, присутствующих в сердцевине, чтобы не уменьшать риски прокалывания мембраны, образующей оболочку. Для сведения, волокна, образующие, по меньшей мере, листы внешних поверхностей сердцевины, могут иметь диаметры, распределенные между 1 μм и около 4 μм для длин от 1 до 5 мм.
Следующие примеры иллюстрируют изобретение неограничивающим образом.
Волокна, имеющие химический состав, указанный в таблице 1 ниже, получали выработкой волокна раздувом пламенем.
Таблица 1 также показывает некоторые характеристические температуры, обозначенные Tx, и соответствующие соответственно температуре, при которой стекло имеет вязкость 10x пуаз (1 пуаз=0,1 Па·с), причем величины x составляют 2, 2,5, 3, 3,5 и 4. Все эти температуры выражены в °C.
| Пример 1 | |
| SiO2 | 65,0 |
| Al2O3 | 1,9 |
| B2O3 | 10,3 |
| Na2O | 8,8 |
| K2O | 2,8 |
| MgO | 1,3 |
| CaO | 2,1 |
| BaO | 4,3 |
| SrO | 2,8 |
| Примеси | 0,7 |
| T2 | 1296 |
| T2,5 | 1153 |
| T3 | 1053 |
| T3,5 | 979 |
| T4 | 922 |
Таблица 1
Волокна подвергали испытанию на кратковременную биостойкость путем интратрахеального вливания, как требуется примечанием Q Директивы 97/69/ЕС. Период полувыведения составлял менее 40 дней.
Листы бумаги, предназначенные для их использования в фильтрах, были изготовлены с помощью метода изготовления бумаги из волокон. С точки зрения фильтрационных свойств после старения во влажном состоянии эксплуатационные показатели полученных листов лучше, чем те, которые у листов, полученных из стандартных (биостойких) волокон. Механические свойства (прочность при растяжении, жесткость) также сравнимы, или даже лучше.
Стекло, имеющее состав из примера 1, также подвергали испытанию на гидролитическую стойкость. Согласно этому методу стеклянный порошок, измельченный для получения пудры с размером частиц от 360 до 400 микрометров, погружают в воду, нагретую до появления конденсата, на 5 часов. После быстрого охлаждения смесь фильтруют и измеряют твердые вещества, содержащиеся в фильтрате. Количество растворенного материала, выраженное в миллиграммах на грамм обработанного стекла, составляет 40,7.
Ниже таблица 2 представляет другие образцы волокон в соответствии с изобретением.
| Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | |
| SiO2 | 60,1 | 63,7 | 63,7 |
| Al2O3 | 2,1 | 1,8 | 2,8 |
| B2O3 | 10,8 | 11,0 | 11,0 |
| Na2O | 9,3 | 8,6 | 9,0 |
| K2O | 4,0 | 3,2 | 3,2 |
| MgO | 1,2 | 1,3 | 1,3 |
| CaO | 1,8 | 2,0 | 2,0 |
| BaO | 5,1 | 4,2 | 4,3 |
| SrO | 5,5 | 3,0 | 2,3 |
| Примеси | 0,1 | 1,2 | 0,4 |
Таблица 2
1. Стекловолокна, химический состав которых включает следующие составные части с массовым содержанием, которое изменяется в пределах, определенных ниже:
SiO2 50-70%
Al2O3 0-5%
CaO+MgO 0-7%
Na2O 5-15%
K2O 0-10%
BaO 2-10%
SrO 2-10%
ZnO<2%
B2O3 5-15%.
2. Стекловолокна по предшествующему пункту, такие, что содержание SiO2 находится в интервале, продолжающемся от 55% до 68%, в частности от 60% до 67%.
3. Стекловолокна по любому предшествующему пункту, такие, что содержание Al2O3 находится в интервале, продолжающемся от 1% до 4%, в частности от 1,5% до 2,5%.
4. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, такие, что содержание CaO находится в интервале, продолжающемся от 1% до 4%, в частности от 1,5% до 3%.
5. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, такие, что содержание MgO находится в интервале, продолжающемся от 1% до 3%, в частности от 1% до 2%.
6. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, такие, что содержание BaO находится в интервале, продолжающемся от 3% до 8%, в частности от 3% до 6%.
7. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, такие, что содержание SrO находится в интервале, продолжающемся от 2% до 5%, в частности от 2% до 4%.
8. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, такие, что содержание ZnO составляет не более 1%, в частности равно 0.
9. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, такие, что содержание B2O3 находится в интервале, продолжающемся от 8% до 13%, в частности от 9% до 12%.
10. Стекловолокна по одному из предшествующих пунктов, средний диаметр которых находится в интервале, продолжающемся от 0,1 до 3 μм.
11. Лист бумаги или полотно, содержащие волокно по одному из предшествующих пунктов.
12. Фильтр или разделитель аккумуляторной батареи, содержащий, по меньшей мере, один лист бумаги по предшествующему пункту.
13. Сердцевина изоляционной панели, образованная наложением множества листов бумаги или полотен по п.11.
14. Панель вакуумной изоляции, содержащая сердцевину по предшествующему пункту, расположенную внутри газонепроницаемой оболочки, обычно изготовленной из многослойной пластиковой пленки, которая алюминизирована или которая включает в себя, по меньшей мере, один лист алюминия, причем сборку размещают под вакуумом и герметизируют так, чтобы внутреннее давление в оболочке составляло порядка менее чем 0,5 мбар.
15. Способ изготовления стекловолокон по одному из пп. 1-10, включающий в себя этап плавления стекла, имеющего по существу тот же самый химический состав, что и у упомянутых волокон, затем этап выработки волокна, в частности, раздувом пламенем.
