СТОЙКОЕ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР СТЕКЛОВИДНОЕ НЕОРГАНИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
VITREOUS INORGANIC FIBRE RESISTANT TO HIGH TEMPERATURE EFFECTS

Предпосылки к созданию изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается стойкое к воздействию высоких температур стекловидное волокно, полезное для изготовления тепло- или звукоизоляционного материала, которое имеет температуру эксплуатации по меньшей мере до 1000°С. Стойкое к воздействию высоких температур волокно легко может быть изготовлено, имеет малую усадку, сохраняет высокую механическую прочность после воздействия температуры эксплуатации и является недолговечным в физиологических жидкостях.
В промышленности изоляционных материалов пришли к однозначному выводу о желательности использования волокон в тепло- или звукоизоляции, причем такие волокна являются недолговечными в физиологических жидкостях, таких как легочная жидкость. Несмотря на то, что уже были предложены возможные материалы для использования в таких применениях, предельная температура эксплуатации таких материалов не является достаточно высокой для многих из таких применений, в которых используют стойкие к воздействию высоких температур волокна, в том числе тугоплавкие стекловолокна и керамические волокна. В частности, стойкие к воздействию высоких температур волокна должны иметь минимальную линейную усадку при ожидаемых температурах воздействия, чтобы обеспечить эффективную тепловую защиту изделия, подлежащего изоляции.
Уже было предложено множество композиций искусственных стекловидных волокон, которые разлагаются в физиологической среде. Эти стекловолокна обычно имеют высокое содержание оксида щелочного металла, что часто приводит к снижению предельной температуры эксплуатации.
2
2
В патенте Канады No. 2017344 описано имеющее растворимость в физиологической среде стекловолокно, образованное из стекол, содержащих в качестве необходимых компонентов диоксид кремния, оксид кальция и NaO, в качестве предпочтительных компонентов оксид магния и KO и в качестве возможных компонентов оксид бора, оксид алюминия, оксид титана, оксиды железа и фторид.
2
2
В международной публикации WO 90/02713 описаны минеральные волокна, растворимые в солевых растворах, причем эти волокна имеют композицию, в которую входят диоксид кремния, оксид алюминия, оксид железа, оксид кальция, оксид магния, NaO и KO.
2
2
2
5
В патенте США No. 5,108,957 описаны композиции стекла, полезные для образования волокон, которые могут разлагаться в физиологической среде, содержащие в качестве необходимых компонентов диоксид кремния, оксид кальция, NaO плюс KO и оксид бора, и, возможно, оксид алюминия, оксид магния, фторид и PO. Описано наличие фосфора как элемента, повышающего степень разложения волокон в физиологической среде.
2
2
Среди других патентов, в которых указано, что фосфор повышает биорастворимость минеральных волокон, можно указать международную публикацию WO 92/09536, в которой описаны минеральные волокна, содержащие главным образом диоксид кремния и оксид кальция, а также, возможно, оксид магния и NaO плюс KO, причем указано, что наличие оксида фосфора снижает стабилизирующее воздействие алюминия и железа на матрицу стекла. Эти волокна обычно получают при более низких температурах, чем тугоплавкие керамические волокна. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при температурах плавления, необходимых для стойких к воздействию высоких температур волокон (1700-2000°С), небольшая добавка оксида фосфора на уровне всего несколько процентов вызывает серьезную деградацию и/или эрозию компонентов печи.
2
5
2
2
В патенте Канады No. 2043699 описаны волокна, которые разлагаются в присутствии физиологической среды и которые содержат диоксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния, PO, и, возможно, оксид железа и NaO плюс KO.
2
5
2
2
2
В патенте Франции No. 2662687 описаны минеральные волокна, которые разлагаются в присутствии физиологической среды и которые содержат диоксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния, PO, оксид железа и NaO плюс KO плюс TiO.
2
5
В патенте США No. 4,604,097 описано биорастворимое стекловолокно, которое содержит главным образом бинарную смесь оксида кальция и пентаксида фосфора (PO), а также содержит другие компоненты, такие как фторид кальция, воду и один или несколько таких оксидов, как оксид магния, оксид цинка, оксид стронция, оксид натрия, оксид калия, оксид лития или оксид алюминия.
2
5
В международной публикации WO 92/07801 описано биорассасывающееся стекловолокно, содержащее пентаксид фосфора и оксид железа. Часть PO может быть замещена диоксидом кремния, а часть оксида железа может быть замещена оксидом алюминия. Возможно, волокно содержит компонент с двухвалентным катионом, выбранный из группы, в которую входят Са, Zn и/или Mg, и компонент с катионом щелочного материала, выбранный из группы, в которую входят Na, К и/или Li.
2
2
В патенте США No. 5,055,428 описана композиция алюмоборосиликатного стекловолокна, содержащая натровую известь, которая растворима в синтетической легочной жидкости. Указано, что содержание оксида алюминия снижается при увеличении содержания оксида бора и при регулировке содержания диоксида кремния, оксида кальция, оксида магния, KO и, возможно, NaO. Другими компонентами могут быть оксид железа, оксид титана, фтор, оксид бора и оксид цинка.
В международной публикации WO 87/05007 описано неорганическое волокно, имеющее растворимость в солевом растворе и содержащее диоксид кремния, оксид кальция, оксид магния и, возможно, оксид алюминия. В международной публикации WO 89/12032 описано неорганическое волокно, имеющее экстрагируемый силикон в физиологическом солевом растворе и содержащее диоксид кремния, оксид кальция, возможно, оксид магния, оксиды щелочных металлов, а также один или несколько компонентов, выбранных из группы, в которую входят оксид алюминия, диоксид циркония, оксид титана, оксид бора и оксиды железа.
В международной публикации WO 93/15028 описаны стекловидные волокна, растворимые в солевом растворе, которые в одном из применений кристаллизуются в диопсид после воздействия температуры 1000°С и/или 800°С в течение 24 часов и имеют композицию, которая содержит 59-64 вес.% диоксида кремния, 0-3.5 вес.% оксида алюминия, 19-23 вес.% оксида кальция и 14-17 вес.% оксида магния, и которые в другом из применений кристаллизуется в волластонит/псевдоволластонит и имеют композицию, которая содержит 60-67 вес.% диоксида кремния, 0-3.5 вес.% оксида алюминия, 26-35 вес.% оксида кальция и 4-6 вес.% оксида магния.
2
3
В международной публикации WO 03/059835 описано кальцийсиликатное волокно, которое содержит 1.3-1.5 вес.% LaO.
Волокна, описанные в указанных выше патентных публикациях, имеют, однако, ограниченные температуры эксплуатации и поэтому не подходят для изоляции при высоких температурах, например, для футеровки печей, работающих при температуре свыше 1000°С, и для упрочнения, например, металлической матрицы композитов, а также для применения во фрикционных муфтах.
В патентах США No. 6,030,910, 6,025,288 и 5,874,375 описаны особые неорганическое волокна, содержащие главным образом продукты волокнообразующего расплава диоксида кремния и оксида магния, которые являются растворимыми в физиологической жидкости, имеют малую усадку и высокие механические характеристики при высоких предельных температурах эксплуатации.
2
2
3
2
3
2
2
3
Изделие, имеющее в основном химический состав недолговечного волокна, которое серийно выпускается фирмой Unifrax Corporation (Niagara Falls, New York, США) под фабричной маркой INSULFRAX, имеет номинальную композицию, которая содержит (по весу) 65% SiO, 31.1% CaO, 3.2% MgO, 0.3% AlO и 0.3% FeO. Другое изделие, которое серийно выпускается фирмой Thermal Ceramics (Augusta, Georgia, США) под фабричной маркой SUPERWOOL, имеет композицию, которая содержит (по весу) 58.5% SiO, 35.4% CaO, 4.1% MgO и 0.7% AlO. Этот материал имеет предельную температуру эксплуатации 1000°С и температуру плавления около 1280°С, причем эти температуры являются слишком низкими для указанных выше желательных применений в качестве высокотемпературной изоляции.
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
3
2
2
В международной публикации WO 94/15883 описаны CaO/MgO/SiO волокна с добавочными компонентами AlO, ZrO и TiO, для которых было проведено исследование растворимости в солевом растворе и исследование тугоплавкости. В этой публикации утверждается, что растворимость возрастает при увеличении количества MgO, в то время как ZrO и AlO ухудшают растворимость. Присутствие TiO (0.71-0.74 моль.%) и AlO (0.51-0.55 моль.%) ведет к тому, что волокна перестают соответствовать критерию усадки 3.5% или меньше при 1260°С. В этой публикации также утверждается, что волокна со слишком высоким содержанием SiO трудно или невозможно формовать, и приводятся примеры композиций с 70.04, 73.28 и 78.07% SiO, из которых не смогли образовать волокна.
В патентах США No. 5,332,699, 5,421,714, 5,994,247 и 6,180,546 описаны стойкие к воздействию высоких температур, растворимые неорганическое волокна.
В дополнение к термостойкости, выраженной через характеристики усадки, которая является важной для волокон, которые используют в изоляции, требуется также, чтобы волокна обладали характеристиками механической прочности во время и после воздействия температур эксплуатации, что позволяет волокну сохранять свою конструктивную целостность и изоляционные характеристики при использовании.
Одной из характеристик механической целостности волокна является его хрупкость после эксплуатации. Чем более хрупким является волокно, то есть чем легче оно ломается или крошится в порошок, тем меньшей конструктивной целостностью оно обладает. Было обнаружено, что, как правило, тугоплавкие волокна, которые имеют как термостойкость при высокой температуре, так и недолговечность в физиологических жидкостях, также имеют высокую степень хрупкости после эксплуатации. Это приводит к тому, что волокна со сниженной прочностью или со сниженной конструктивной целостностью после воздействия температуры эксплуатации не имеют больше необходимой структуры, позволяющей выполнять задачу изоляции.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что стойкие к воздействию высоких температур недолговечные волокна имеют хорошую конструктивную целостность до предельной температуры эксплуатации. Меры оценки конструктивной целостности волокон включают в себя измерение прочности на сжатие и восстановления после сжатия (измерение упругости).
Однако тугоплавкие композиции стекла, которые обладают искомой долговечностью, усадкой при температурном воздействии и прочностными характеристиками, могут не обладать хорошим волокнообразованием как при выдувании, так и при вытягивании волокна из расплава, содержащего его компоненты.
В связи с изложенным желательно создать стойкое к воздействию высоких температур тугоплавкое стекловолокно, которое легко может быть получено из расплава, имеющего вязкость, подходящую для выдувания или вытягивания волокна, и которое является недолговечным в физиологических жидкостях.
Также желательно создать стойкое к воздействию высоких температур тугоплавкое стекловолокно, которое является недолговечным в физиологических жидкостях и которое имеет хорошую механическую прочность до предельной температуры эксплуатации.
Также желательно создать стойкое к воздействию высоких температур тугоплавкое стекловолокно, которое является недолговечным в физиологических жидкостях и которое имеет малую усадку при температуре использования.
Краткое изложение изобретения
2
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются стойкие к воздействию высоких температур тугоплавкие стекловидные неорганическое волокна, которые являются недолговечными в физиологических жидкостях. Предложенные волокна имеют более высокую растворимость в искусственной легочной жидкости, чем стандартные алюмосиликатные тугоплавкие керамические волокна, и имеют предельную температуру использования по меньшей мере 1000°С или выше. Эти волокна сохраняют механическую прочность после воздействия температур эксплуатации. Было обнаружено, что волокна, которые отвечают требованиям волокнообразования, стойкости к воздействию высоких температур и недолговечности в физиологических жидкостях, должны иметь композиции волокна, которые содержат диоксид кремния (SiO), оксид магния (MgO), и по меньшей мере одно соединение, которое содержит лантан или элемент семейства лантанидов.
В соответствии с некоторыми вариантами волокно получают из расплава с ингредиентами, которые включают в себя диоксид кремния в диапазоне ориентировочно от 71.25 до 86 вес.%, оксид магния и соединение, которое содержит элемент семейства лантанидов.
Предлагается имеющее малую усадку тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно, основанное на системе магний - силикат, имеющее температуру эксплуатации по меньшей мере 1000°С, которое сохраняет конструктивную целостность после воздействия температуры эксплуатации и которое является недолговечным в физиологических жидкостях, таких как легочная жидкость.
Недолговечное тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно в соответствии с одним из вариантов содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего элемент семейства лантанидов. Соединением, содержащим элемент семейства лантанидов, может быть, например, оксид элемента семейства лантанидов.
Недолговечное тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно в соответствии с одним из вариантов содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, такого как оксид, содержащего элемент семейства лантанидов и, возможно, диоксид циркония. Если диоксид циркония входит в расплав волокнообразования, то его содержание обычно лежит в диапазоне от 0 до 11 вес.%.
2
3
В соответствии с еще одним вариантом недолговечное тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, а также ориентировочно менее 1 вес.% примеси оксида железа, в пересчете на FeO. Соединением, содержащим элемент семейства лантанидов, может быть, например, оксид элемента семейства лантанидов.
2
3
Стойкие к воздействию высоких температур, недолговечные волокна в соответствии с некоторыми вариантами преимущественно могут содержать ориентировочно меньше чем 2 вес.% оксида алюминия (AlO).
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ производства стойкого к воздействию высоких температур стекловидного неорганического волокна, имеющего температуру эксплуатации по меньшей мере до 1000°С, которое сохраняет конструктивную целостность при воздействии температуры эксплуатации и которое является недолговечным в физиологических жидкостях, который включает в себя следующие операции:
образование расплава с ингредиентами, которые содержат ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего лантан или элемент семейства лантанидов; и получение волокна из расплава.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ производства стойкого к воздействию высоких температур стекловидного неорганического волокна, имеющего температуру эксплуатации по меньшей мере до 1000°С, которое сохраняет конструктивную целостность при воздействии температуры эксплуатации и которое является недолговечным в физиологических жидкостях, который включает в себя следующие операции:
образование расплава с ингредиентами, которые содержат ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего лантан или элемент семейства лантанидов и, возможно, диоксид циркония; и получение волокна из расплава.
Композиции расплава, которые используют для получения волокон в соответствии с настоящим изобретением, имеют вязкость расплава, подходящую для выдувания волокна или вытягивания волокна из расплава и для придания волокну механической прочности, позволяющей выдерживать воздействие температуры эксплуатации.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ создания изоляции на изделии, который предусматривает размещение на изделии, в изделии, вблизи от изделия или вокруг него изоляционного материала, имеющего температуру эксплуатации по меньшей мере 1000°С или выше, который сохраняет конструктивную целостность при температуре эксплуатации и который является недолговечным в физиологических жидкостях, причем указанный изоляционный материал содержит продукт волокнообразования расплава волокна, который содержит диоксид кремния, оксид магния, соединение, которое содержит лантан или элемент семейства лантанидов и, возможно, диоксид циркония.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана зависимость вязкости от температуры расплава для производства имеющегося в продаже ссученного алюмосиликатного волокна.
На фиг.2 показана зависимость вязкости от температуры расплава для производства имеющегося в продаже выдутого алюмосиликатного волокна.
Подробное описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается стойкое к воздействию высоких температур волокно, которое может быть использовано для создания тепло-, электро- или звукоизоляционного материала, которое имеет предельную температуру эксплуатации свыше 1000°С и которое является недолговечным в физиологических жидкостях, таких как легочная жидкость. Под недолговечным в физиологических жидкостях понимают волокно, которое по меньшей мере частично растворяется в таких жидкостях (например, в искусственной легочной жидкости) во время испытаний в пробирке.
Для того чтобы композиция стекла была жизнеспособным кандидатом для производства удовлетворительного высокотемпературного тугоплавкого продукта в виде волокна, она должна позволить получать волокно, достаточно хорошо растворимое в физиологических жидкостях и способное выдерживать воздействие высоких температур с минимальной усадкой и минимальной потерей конструктивной целостности при воздействии высоких температур эксплуатации.
Под "вязкостью" понимают способность расплава стекла выдерживать напряжение пластического течения или напряжение при сдвиге. Зависимость вязкости от температуры является критической в определении возможности волокнообразования данной композиции стекла. Оптимальная кривая вязкости должна иметь низкую вязкость (5-50 пуаз) при температуре волокнообразования и должна постепенно подниматься при снижении температуры. Если расплав является недостаточно вязким (то есть слишком жидким) при температуре волокнообразования, то из него получают короткое, тонкое волокно, с большой пропорцией неволокнистого материала (дроби). Если расплав является слишком вязким при температуре волокнообразования, то из него получают очень грубое (с большим диаметром) и короткое волокно.
Вязкость зависит от химического состава расплава, причем на нее воздействуют также элементы или соединения, которые действуют как модификаторы вязкости. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в использованном для производства волокна химическом составе соединение, содержащее элемент семейства лантанидов, действует как модификатор вязкости, который позволяет выдувать или вытягивать волокно из расплава. Однако в соответствии с настоящим изобретением необходимо, чтобы такие модификаторы вязкости, по типу или по количеству, не оказывали вредного влияния на растворимость, стойкость к усадке или механическую прочность выдутого или вытянутого волокна.
Конструктивная целостность также является важным свойством, так как волокно должно поддерживать свой собственный вес в любом применении и также должно обладать стойкостью к абразивному износу, вызванному движением воздуха или газа. Информация относительно целостности волокна и его механической прочности может быть получена при помощи визуальных наблюдений и тактильным образом, а также при помощи механических измерений этих свойств после работы волокна при температурах эксплуатации.
Предложенное волокно имеет прочность на сжатие в заданных пределах, сопоставимую с прочностью на сжатие стандартного, серийного алюмосиликатного волокна, и дополнительно имеет высокую степень возврата после сжатия (или упругости).
Волокна в соответствии с настоящим изобретением имеют существенно меньшую долговечность, чем нормальное тугоплавкое керамическое волокно, содержащее алюмосиликаты (около 50/50 вес.%) и алюмо-диоксид циркония-силикаты или AZS (около 30/16/54 вес.%) в искусственной легочной жидкости.
Недолговечные тугоплавкие стекловидные волокна производят с использованием стандартных методик изготовления стеклянных и керамических волокон. Исходные материалы, такие как диоксид кремния, любой подходящий источник оксида магния, такой как энстатит, форстерит, оксид магния, магнезит, обожженный магнезит, цирконат магния, периклаз, стеатит или тальк, и, если диоксид циркония входит в расплав волокна, любой подходящий источник диоксида циркония, такой как бадделеит, цирконат магния, циркон или диоксид циркония, вводят в заданных пропорциях из бункеров для хранения в печь, в которой они расплавляются, а затем из раствора выдувают волокно с использованием сопла волокнообразования, или вытягивают волокно, при одноразовой загрузке или в непрерывном режиме.
Вязкость расплава при необходимости можно контролировать за счет использования модификаторов вязкости, вводимых в достаточном количестве для того, чтобы обеспечить волокнообразование, требующееся для желательных применений. Модификаторы вязкости могут присутствовать в исходных материалах, которые содержат основные компоненты расплава, или могут быть, по меньшей мере частично, добавлены отдельно. Желательный размер частиц исходных материалов зависит от условий плавления в печи, в том числе от размера печи (SEF), скорости разливки, температуры расплава, времени нахождения в печи и т.п.
Соединение, содержащее элемент семейства лантанидов, может быть эффективно использовано для повышения вязкости раствора волокна, содержащего диоксид кремния и оксид магния в качестве основных компонентов, в результате чего повышается способность к волокнообразованию раствора волокна. Использование соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, повышает вязкость и улучшает волокнообразование без вредного влияния на тепловые характеристики, механические свойства или растворимость продукта в виде волокна.
В соответствии с одним из вариантов тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно способно выдерживать температуры эксплуатации по меньшей мере до 1000°С, при линейной усадке ориентировочно меньше чем 6%, а преимущественно при линейной усадке ориентировочно меньше чем 5%, при сохранении конструктивной целостности при температуре эксплуатации, и при недолговечности в физиологических жидкостях, таких как легочная жидкость. Недолговечное тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего лантан или элемент семейства лантанидов. Расплав волокнообразования, из которого получают продукт в виде волокна, может также содержать ориентировочно от 0 до 11 вес.% диоксида циркония.
2
3
Волокно должно содержать ориентировочно не более 1 вес.% примеси оксида кальция. В соответствии с другими вариантами волокно должно содержать ориентировочно не более 1 вес.% примеси оксидов железа (в пересчете на FeO). Другие элементы или соединения также могут быть использованы в качестве модификаторов вязкости, которые при добавлении в расплав воздействуют на вязкость расплава таким образом, что аппроксимируют профиль или форму кривой зависимости вязкости от температуры расплава, что улучшает волокнообразование, как это обсуждается далее более подробно.
Полезные элементы семейства лантанидов включают в себя La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tin, Yb, Lu, а также их смеси. Элементом Y называют природный элемент, который включает в себя множество элементов семейства лантанидов. В соответствии с настоящим изобретением считают, что элемент Y содержится в семействе лантанидов. В соответствии с некоторыми вариантами соединения, которые содержат такие элементы семейства лантанидов, как La, Се, Pr, Nd или их комбинации, добавляют в расплав волокна. Особенно полезным элементом семейства лантанидов, который может быть добавлен в расплав волокна, является La.
Соединение, содержащее элемент семейства лантанидов, может представлять собой, безо всякого ограничения, бромиды, содержащие элемент семейства лантанидов, хлориды, содержащие элемент семейства лантанидов, фториды, содержащие элемент семейства лантанидов, фосфаты, содержащие элемент семейства лантанидов, нитраты, содержащие элемент семейства лантанидов, нитриты, содержащие элемент семейства лантанидов, оксиды, содержащие элемент семейства лантанидов, и сульфаты, содержащие элемент семейства лантанидов.
2
3
2
3
Оксиды элементов семейства лантанидов используют для повышения вязкости расплава волокна, содержащего диоксид кремния и оксид магния, чтобы повысить способность к волокнообразованию расплава. Особенно полезным оксидом элементов семейства лантанидов является LaO. В описании настоящего изобретения обозначения LaO, "лантан" или "оксид лантана" являются взаимозаменяемыми.
Как уже было упомянуто здесь выше, смеси соединений, содержащих элемент семейства лантанидов, могут быть использованы в расплаве волокна для усиления вязкости расплава. С химической точки зрения элементы семейства лантанидов очень похожи друг на друга и часто находятся вместе в рудных залежах. Термин "мишметалл" используют для обозначения встречающихся в природе смесей элементов семейства лантанидов. Дополнительное рафинирование требуется для разделения оксида мишметалла на его образующие оксиды металлов. Следует иметь в виду, что сам оксид мишметалла может быть использован в качестве соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, в расплаве волокна.
Несмотря на то, что оксид алюминия и является модификатором вязкости, введение оксида алюминия в состав расплава волокна приводит к снижению растворимости полученного волокна в физиологических солевых растворах. Поэтому желательно ограничить количество оксида алюминия, присутствующего в составе расплава волокна, на уровне ориентировочно по меньшей мере ниже 2 вес.%, и, если это позволяют использованные исходные материалы, на уровне ориентировочно по меньшей мере ниже 1 вес.%.
Одним из подходов к проверке того, что волокно заданной композиции легко может быть изготовлено с приемлемым уровнем качества, является определение совпадения кривой вязкости экспериментального расплава с кривой вязкости расплава известного продукта, относительно которого известно, что он имеет легкое волокнообразование. Добавление оксида лантана в магний силикатный расплав улучшает волокнообразование за счет расширения кривой вязкости расплава в сторону более низких температур и более высоких вязкостей. Так как система лантан-силикат является более тугоплавкой системой, чем система магний-силикат, то тепловые характеристики полученного волокна также улучшаются.
Форма кривой зависимости вязкости от температуры для композиции стекла позволяет оценить легкость волокнообразования расплава и, следовательно, качество полученного волокна (в том числе, например, содержание в волокне дроби, диаметр волокна и длину волокна). Стекла обычно имеют низкую вязкость при высоких температурах. По мере снижения температуры вязкость возрастает. Значение вязкости при данной температуре варьирует в функции композиции, также как варьирует и общая крутизна кривой зависимости вязкости от температуры. Кривая вязкости расплава диоксида кремния, оксида магния и лантана или другого соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, аппроксимирует кривую вязкости фиг.1 для имеющегося в продаже ссученного алюмосиликатного волокна.
Волокно содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 65 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 35 вес.% оксида магния, и соединение, содержащее элемент семейства лантанидов.
Недолговечное тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно в соответствии с некоторыми вариантами содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего элемент семейства лантанидов.
В соответствии с другими вариантами недолговечное, стойкое к воздействию высоких температур стекловидное неорганическое волокно содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно 0 до 6 вес.% соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, а также от 0 до 11 вес.% диоксида циркония и ориентировочно меньше чем 2 вес.% оксида алюминия.
В расплаве и в волокнах, которые обсуждались здесь выше, реальный уровень диоксида кремния составляет ориентировочно от 71.25 до 86 вес.%, а преимущественно ориентировочно от 72 до 80 вес.%, причем верхний уровень диоксида кремния ограничен только технологичностью производства волокна.
В соответствии с другим вариантом недолговечное стойкое к воздействию высоких температур стекловидное неорганическое волокно содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 72 до 80 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 21 до 28 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего элемент семейства лантанидов. Само собой разумеется, что сумма весовых процентных содержаний (вес.%) диоксида кремния, оксида магния и соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, не может превышать 100 вес.%.
В соответствии с еще одним вариантом недолговечное тугоплавкое стекловидное неорганическое волокно содержит продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 71.25 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 28.75 вес.% оксида магния и ориентировочно от 0 до 6 вес.% соединения, содержащего элемент семейства лантанидов, причем волокно главным образом не содержит оксида щелочного металла.
2
3
Волокна главным образом не содержат щелочных металлов, кроме следов примесей. Термин "следы примесей" означает такие количества веществ в продукте волокнообразования, которые не добавляют специально в расплав волокна, но которые могут присутствовать в исходных материалах, из которых производят волокна. Таким образом, фраза "главным образом не содержит оксида щелочного металла" означает, что такой оксид щелочного металла, если он есть в волокне, получен из исходных материалов, причем оксид щелочного металла не добавляют специально в расплав волокна. Обычно волокна могут содержать оксид щелочного металла, полученный из исходных материалов, причем его количество составляет десятые доли процента, по весу. Таким образом, содержание щелочного металла в указанных волокнах обычно лежит в диапазоне следов примесей или самое большее составляет десятые доли процента, в пересчете на оксид щелочного металла. Другие примеси могут содержать оксиды железа, в количестве ориентировочно меньше чем 1 вес.%, в пересчете на FeO, или еще меньше.
Описанные здесь выше недолговечные, имеющие малую усадку, стекловидные неорганические волокна имеют преимущества по сравнению с обычными каолиновыми, AZS, и алюмосиликатными тугоплавкими керамическими волокнами в том, что касается механической прочности до предельной температуры эксплуатации.
Волокна получают из расплава ингредиентов, содержащих диоксид кремния, оксид магния, соединение, содержащее элемент семейства лантанидов и, возможно, диоксид циркония, при помощи известных процессов вытягивания или выдувания волокна. Волокна могут иметь диаметры, которые ограничены только верхним пределом диаметров, которые можно получить за счет вытягивания или выдувания волокна.
Волокно может быть получено с использованием уже существующей технологии волокнообразования в виде различных продуктов, в том числе (но без ограничения) в виде объемных волокон, содержащих волокно слоев, бумаг, войлоков, отлитых в вакууме форм и композитов. Волокно может быть использовано в комбинации с обычными материалами, которые используют для производства содержащих волокно слоев, отлитых в вакууме форм и композитов, для замены обычных тугоплавких керамических волокон. Волокно может быть использовано отдельно или в комбинации с другими материалами, такими как связующие материалы и т.п., при производстве содержащих волокно бумаги и войлока. Волокно растворяется в искусственной физиологической легочной жидкости, что снижает до минимума проблемы, связанные с вдыханием волокон.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ изоляции изделия с использованием термоизоляционного материала. В соответствии со способом термоизоляции изделия используют термоизоляционный материал, имеющий температуру эксплуатации по меньшей мере 1000°С или выше, который сохраняет конструктивную целостность до предельных температур эксплуатации и который является недолговечным в физиологических жидкостях, который наносят на, в изолируемое изделие или вокруг него, или в непосредственной близости от него. Термоизоляционный материал, который используют в способе термоизоляции изделия, содержит продукт волокнообразования расплава с ингредиентами, которые содержат диоксид кремния, оксид магния, соединение, содержащее лантан или элемент семейства лантанидов и, возможно, диоксид циркония.
Стойкие к воздействию высоких температур тугоплавкие стекловолокна могут быть легко получены из расплава, имеющего вязкость, подходящую для выдувания или вытягивания волокна, причем эти волокна являются недолговечными в физиологических жидкостях.
Стойкие к воздействию высоких температур тугоплавкие стекловолокна являются недолговечными в физиологических жидкостях, но обладают высокой механической прочностью до предельных температур эксплуатации.
Стойкие к воздействию высоких температур тугоплавкие стекловолокна являются недолговечными в физиологических жидкостях, но имеют малую усадку при воздействии температуры эксплуатации.
Пример 1
2
3
Волокна были получены из расплава с ингредиентами, которые содержат диоксид кремния, оксид магния и 1 вес.% LaO, при помощи процесса выдувания волокна. Были исследованы характеристики усадки волокон за счет образования подушки из мокрого волокна и измерения размеров подушки до и после нагрева подушки в печи в течение фиксированного периода времени.
Подушка для измерения усадки была приготовлена за счет перемешивания выдутых волокон, фенольного связующего материала и воды. Перемешанные волокна, связующий материал и воду выливали на листовую форму и позволяли воде вытекать через основание формы. Из подушки вырезали образец с размерами 3×5 дюймов, который использовали при исследовании усадки. Длину и ширину образца тщательно замеряли. Затем образец помещали в печь и повышали температуру в печи до 1260°С, которую поддерживали в течение 24 часов. После нагревания в течение 24 часов образец охлаждали и вновь замеряли длину и ширину образца. Линейную усадку образца для испытаний определяли путем сравнения указанных размеров до и после испытаний. Образец для испытаний, который содержит волокна, приготовленные в соответствии с настоящим изобретением, имеет линейную усадку около 4% или меньше.
Пример 2
2
2
3
2
3
2
2
3
Смесь из 74.0% SiO; 20% MgO, 1.0% AlO и 5% LaO добавляли в течение 12 часов в производственную печь с погруженным электродом, содержащую расплав волокна с ингредиентами, содержащими примерно 77% SiO; 22% MgO; 1.5% AlO.
Смеси, содержащей лантаниды, давали возможность соединиться с уже имеющимся расплавом. Такой подход дал изменения химического состава продукта, получаемого из печи, по сравнению с начальным химическим составом, в результате которого получалась новая композиция, содержащая лантаниды, за период приблизительно 12 часов.
Таким способом были получены композиции волокна, состав которых охватывал диапазон:
2
77 → 74.0% SiO
22 → 20.0% MgO
2
3
1.5 → 1.0% AlO
2
3
0 → 5.0% LaO
Свойства полученных волокон изменялись при этом следующим образом:
Время преобразования, ч
Показатель волокна
Хрупкость
Средний диаметр волокон (микроны)
3.5
44
240
1.9
5.0
41
190
2.7
6.0
41
200
2.3
7.5
40
190
2.2
9.0
32
170
3.0
2
3
2
3
2
3
2
3
Как показано в этом примере, расплав волокна с ингредиентами, содержащими 5 вес.% LaO, добавляли в расплав волокна с ингредиентами, не содержащими соединение, содержащее элемент семейства лантанидов. Содержание LaO приблизилось к 5% в составе композиции в ходе преобразования. В течение 12 часов химический состав расплава, изготовляемого в печи, менялся, при этом по мере увеличения количества LaO средний диаметр волокна также увеличивался в течение 12 часов от 1.9 микрон за 3.5 часа до 3.0 микрон за 9 часов. Такое увеличение диаметра волокна для получения продукта функционального волокна является результатом включения LaO в расплав волокна с целью регулирования вязкости композиции.