СТЕКЛО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛОВОЛОКНА И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ КРЕМНЕЗЕМНОЕ ВОЛОКНО НА ЕГО ОСНОВЕ
GLASS FOR PRODUCING GLASS FIBRE AND HIGH-TEMPERATURE SILICA FIBRE BASED THEREON

Изобретение относится к стекольной промышленности, преимущественно к созданию стекловолокна, обладающего особыми свойствами. В процессе эксплуатации стекловолокна подвергаются воздействию повышенных температур, влаги, различных жидких и газообразных сред.
На температуростойкость, химическую устойчивость и прочность стеклянного волокна большое влияние оказывает химический состав стекла.
3
4
2
2
2
2
2
3
К высокотемпературостойким относятся кремнеземные (1000°С) и кварцевые (1200°С) волокна. Высокой химической стойкостью к воде, пару, минеральным кислотам (кроме HF и HPO) обладают кварцевые, кремнеземные, каолиновые волокна. При этом все силикатные стекла и волокна из них неустойчивы при взаимодействии с щелочной средой. Эффективным способом повышения температуростойкости стекол и волокон из них является увеличение в его составе содержания SiO или введение в состав стекла на стадии стекловарения тугоплавких оксидов, например ZrO, который улучшает как термостойкость, так и химическую стойкость стекловолокон, особенно к воздействию щелочей. Однако составы стекол, содержащие до 80% SiO (температура плавления ~1700°С) и до 20% ZrO (температура плавления ~2700°С) являются очень тугоплавкими и их невозможно получить по обычной стекольной технологии. Для понижения температуры варки в составы стекол вводят легкоплавкие компоненты: оксиды и фториды щелочных и щелочноземельных металлов, BO и др., которые в ряде случаев являются летучими соединениями.
С одной стороны, существует большой класс цирконийсодержащих стеклянных волокон, которые широко используются для армирования бетонов, т.к. устойчивы не только к кислотам, но и к щелочной цементной среде.
2
2
2
2
2
2
3
Известен состав стекла для производства стекловолокна (патент Великобритании №2237017, кл. С03С 13/00, 24.04.1991 г.) масс.%: SiO 54÷65, ZrO 18÷25, NaO 10÷17, KO 0,5÷8, LiO 0÷5, AlO 0÷2, RO 0,5÷7 ( где R - Ca, Mg, Sr, Ba, Zn).
2
Недостатками данного состава являются высокая температура варки стекла (1550-1570°С), невысокая температура эксплуатации волокна (600-700°С), содержание дорогостоящего компонента LiO.
2
2
2
2
3
2
3
2
2
2
Известен также состав стекла для производства стекловолокна (патент Германии № 4032460, кл. С03С 13/02, 11.06.1992 г.) масс.%: SiO 60÷65, ZrO 11÷13, TiO 0,1÷5, AlO 0,1÷4, BO 0,1÷2, CaO 6÷10, MgO 1÷4, NaO 10÷15, KO 0,1÷2, причем СаО вводится через CaF.
2
3
К недостаткам данного состава относятся высокие температуры варки и выработки стекловолокна, низкая температура эксплуатации (до 600°С), высокое содержание в составе летучих компонентов BO и CaF2, которые оказывают вредное воздействие на окружающую среду.
2
2
2
2
3
Известен состав стекла, применяемого для выработки щелочестойкого волокна (патент США № 4014705, кл. С03С 13/00, 29.03.1977 г.) масс.%: SiO 67÷82, ZrO 7÷10, RO 9÷22,5, F 3÷9, AlO 0÷5.
2
Недостатками данного состава являются низкая температура эксплуатации ( до 700°С), высокая температура варки стекла (1560-1580°С) и выработки стекловолокна (1350°С), экологические проблемы, связанные с наличием в составе стекла F.
2
2
3
2
3
2
2
3
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
2
2
3
2
2
2
3
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является высокотемпературо- и кислотостойкое кремнеземное волокно (патент РФ № 2165393, кл. С03С 13/00, 24.04.2001 г.) масс.%: SiO 94÷96, AlO 3÷4, NaO 0,01÷1, СоО 0,01÷1, SO 0,01÷1, а также, по крайней мере, один оксид из группы СаО, MgO, TiO, FeO, ZrO в следующих количествах (масс.%): СаО 0,01÷0,5, MgO 0,01÷0,5, TiO 0,01÷0,1, FeO 0,01÷0,5, ZrO 0,01÷0,5, полученное кислотной обработкой горячими растворами серной кислоты из стекла натрийалюмосиликатного состава (масс.%): AlO 2,5÷3,5, NaO 20÷25, СаО 0,01÷1,0, SO 0,01÷1,0, SiO 70÷78, а также, по крайней мере один оксид из группы CaO, MgO, TiO, FeO, ZrO в следующих количествах (масс.%): CaO 0,01÷0,5, MgO 0,01÷0,5, TiO 0,01÷0,1, FeO 0,01÷0,5, ZrO 0,01÷0,5.
Недостатками данного состава являются ограниченный срок хранения исходного стеклянного волокна до его кислотной обработки и, как следствие, повышенные отходы при текстильной переработке; кроме того, кремнеземное волокно, полученное на основе данного состава стекла, полностью разрушается в щелочной среде (2N
NaОН 3 часа при кипячении), т.е. оно является нещелочестойким.
Технический результат настоящего изобретения состоит в создании состава стекла для производства стекловолокна и кремнеземного волокна на его основе, обладающего высокой химической стойкостью в кислых и щелочных средах, повышении температуры эксплуатации, экологической безопасности для окружающей среды.
Создание заявленного волокна позволит увеличить сроки хранения исходных стекловолокнистых материалов до кислотной обработки, снизить технологические отходы на стадии текстильной переработки, повысить температуростойкость и химическую стойкость, особенно к щелочным средам, кремнеземных материалов, полученных кислотной обработкой из стекловолокна на основе разработанного состава стекла.
2
2
2
2
2
2
3
2
3
3
Этот результат достигается тем, что стекло для производства стекловолокна, включающее SiO, NaO и/или KO, ZrO, CaO, MgO, TiO, FeO, AlO, SO, содержит указанные компоненты в следующем соотношении (масс.%):
2
SiO 61,0-65,0
2
2
NaO и/или КO 23,0-25,5
2
ZrO 10,0-13,0
CaO 0.01-0,03
MgO 0,01-0,05
2
TiO 0,01-0,1
2
3
FeO 0,02-0,1
2
3
AlO 0,1-1,0
3
SO 0,1-1,0
что позволяет получить после кислотной обработки кремнеземное волокно следующего состава (масс.%):
2
SiO 82,5-84,5
2
ZrO 13,5-16,5
2
2
NaO и/или KO 0,1-0,5
CaO 0.01-0,03
MgO 0,01-0,05
2
TiO 0,01-0,1
2
3
FeO 0,01-0,1
2
3
AlO 0,01-1,0
3
SO 0,01-1,0
Ниже приведены примеры осуществления изобретения и некоторые физико-технические характеристики предлагаемых составов, представленные в таблицах 1-4.
Таблица 1
Химический состав, масс.%
ПРИМЕРЫ
1
2
3
SiO<sub>2</sub>
64,8
62,9
61,6
ZrO<sub>2</sub>
10,1
11,8
12,9
Na<sub>2</sub>O
23,02
24,15
25,02
CaO
0,01
0,02
0,03
MgO
0,02
0,03
0,05
TiO<sub>2</sub>
0,03
0,05
0,1
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,02
0,05
0,1
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,0
0,5
0,1
SO<sub>3</sub>
1,0
0,5
0,1
Таблица 2
Физико-технические характеристики стекла и стекловолокна
ПРИМЕРЫ
1
2
3
Прототип
Температура варки стекла, °С
1470
1480
1490
1460
Температура выработки ст./волокна, °С
1260
1270
1280
1240
Максимальный срок хранения материалов до кислотной обработки, сутки
25
30
40
15
Технологические потери при текстильной переработке, %
9
10
7
18
Таблица 3
Химический состав кремнеземного волокна по основным компонентам, масс.%
ПРИМЕРЫ
1
2
3
SiO<sub>2</sub>
83,5
83,7
84,1
ZrO<sub>2</sub>
13,92
14,85
15,41
Na<sub>2</sub>O и/или K<sub>2</sub>O
0,5
0,3
0,1
СаО
0,01
0,02
0,03
MgO
0,02
0,03
0,05
TiO<sub>2</sub>
0,03
0,05
0,1
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,02
0,05
0,01
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,0
0,5
0,1
SO<sub>3</sub>
1,0
0,5
0,1
Таблица 4
Физико-химические характеристики
ПРИМЕРЫ
кремнеземного волокна
1
2
3
Прототип
Температура эксплуатации, °С
1100
1150
1200
1000
Температура плавления, °С
1980
1950
1900
1650
Температура спекания, °С
1550
1500
1480
1400
Химическая стойкость волокон (потери массы после кипячения в течение 3 часов) лег на 500 см<sup>2</sup>
H<sub>2</sub>O
без измен.
без измен.
без измен.
без измен.
1N HCl
без измен.
без измен.
без измен.
без измен.
2N NaOH
41
36
28
растворилось
2
Приведенные в таблицах 2-4 данные по физико-техническим и химическим свойствам стеклянного волокна и кремнеземного волокна на его основе подтверждают, что изменение соотношения основных компонентов в составе стекла в сторону значительного увеличения концентрации ZrO в указанных пределах на стадии стекловарения позволяет:
- понизить температуру варки стекла и выработки стекловолокна по сравнению с другими цирконийсодержащими составами;
- увеличить сроки хранения стекловолокнистых материалов до кислотной обработки в 1,5-2 раза;
- снизить в 1,5-2 раза количество отходов при текстильной переработке;
- повысить химическую устойчивость кремнеземных материалов к воздействию щелочей на 50-60%,
- повысить термоустойчивость кремнеземных материалов (температуры спекания, плавления, эксплуатации).