СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН
METHOD OF MANUFACTURE OF MINERAL FIBER

Изобретение относится к способу получения минеральных волокон путем внутреннего центрифугирования, к особому устройству, подходящему для осуществления этого способа, а также к минеральным волокнам, которые могут быть получены этим способом. Предлагаемый изобретением способ применим, в частности, для промышленного производства стекловаты, предназначенной, например, для введения в состав тепло- и/или звукоизоляционных продуктов.
Струйка расплавленного стекла вводится в прядильный диск, вращающийся с высокой скоростью и имеющий на своей боковой стороне большое число отверстий, через которые стекло выбрасывается в виде филаментов под действием центробежной силы. Затем эти филаменты подвергают действию вытягивающего кругового потока с повышенными температурой и скоростью, текущего вдоль стенки центрифуги, этот поток делает их тоньше и превращает в волокна. Образованные волокна увлекаются этим вытягивающим потоком газа к приемному устройству, обычно состоящему из приемной конвейерной ленты, проницаемой для газа. Этот способ называется "внутренним центрифугированием".
Этот способ был объектом многих усовершенствований, некоторые из них относились, в частности, к прядильному диску, а другие к средствам создания вытягивающего кругового потока.
Документ FR 1382917 описывает механизм волокнообразования, принцип которого до сих пор широко используется: расплавленный материал подается в корзину, имеющую в своей вертикальной стенке отверстия, через которые материал выбрасывается в виде струй на внутреннюю стенку прядильного диска, который жестко соединен с корзиной и который содержит большое число отверстий. Эта стенка называется "полотном" прядильного диска. Чтобы достичь качественного волокнообразования, отверстия распределены кольцевыми рядами, и диаметры отверстий меняются в зависимости от ряда, к которому они относятся, причем диаметр уменьшается от верха полотна до его нижней части. При работе необходимо также поддерживать постоянный запас расплавленного материала внутри прядильного диска.
Авторы заявки заметили, что в расплавленном материале при его выбросе из корзины к прядильному диску могут образовываться пузырьки. В зависимости от условий волокнообразования пузырьки, которые образуются в месте удара струй расплавленного материала о запас, находящийся внутри прядильного диска, способны сохраняться и обнаруживаться в волокнах. Целью настоящего изобретения является предложить способ волокнообразования, позволяющий получить значительное количество пузырьков в волокнах. Присутствие пузырьков в волокнах может быть полезным для изменения некоторых их свойств, например, их плотности.
Таким образом, настоящее изобретение относится к способу получения минеральных волокон путем внутреннего центрифугирования с помощью устройства, содержащего корзину и прядильный диск, способные вращаться как одно целое вокруг оси вращения, причем корзина имеет кольцевую стенку, в которой проделано множество отверстий, и прядильный диск имеет кольцевую стенку, в которой проделано множество отверстий, причем указанный способ включает:
a
- подачу в корзину материала, предназначенного для превращения в волокна, при температуре T;
- центрифугирование материала, предназначенного для превращения в волокна, путем вращения корзины и прядильного диска как единого целого,
F
причем способ отличается тем, что коэффициент , определенный как , где:
μ
a
a
означает вязкость, выраженную в Па·с, материала, предназначенного для превращения в волокна, при температуре T;
d
есть расстояние, выраженное в м, между кольцевой стенкой корзины и кольцевой стенкой прядильного диска;
N
есть число отверстий в корзине, и
Q
есть скорость подачи, выраженная в кг/сек, материала, предназначенного для превращения в волокна,
больше 2000.
Выбирая коэффициент F больше 2000, можно получить минеральные волокна, имеющие значительное количество пузырьков. Чем больше коэффициент F, тем больше количество пузырьков в волокнах. Таким образом, чтобы получить большое количество пузырьков, коэффициент F предпочтительно должен быть больше 5000, больше 7000 или 10000, или больше 15000, или даже больше 20000, больше 25000. или даже более 30000.
μ
Вязкость  материала, предназначенного для превращения в волокна, можно определить из уравнения Фогеля-Фулчера-Таммана:
μ
μ
a
a
в котором T означает рассматриваемую температуру, а A, B и C являются константами, специфическими для рассматриваемого материала, классически определяемыми специалистом путем регрессии, исходя из трех пар измерений  и T на рассматриваемом материале. Вязкость при температуре подачи в корзину T обычно составляет от 50 до 150 Па·с, предпочтительно от 60 до 130 Па·с.
d
Расстояние  между кольцевой стенкой корзины и кольцевой стенкой прядильного диска обычно составляет от 0,05 до 0,2 м. Оно определено как половина разности между диаметром прядильного диска Øa и диаметром корзины Øp. Диаметр корзины и прядильного диска измеряют, когда прядильное устройство выключено. Диаметр корзины Øp измеряют, учитывая самую внешнюю от оси вращения точку ее кольцевой стенки, тогда как диаметр прядильного диска Øa измеряют, учитывая самую высокую точку на наружной части его кольцевой стенки. Обычно прядильный диск имеет диаметр от 200 до 800 мм, например, примерно 200, 300, 400 или 600 мм. В зависимости от размера прядильного диска корзина может иметь диаметр от 70 до 400 мм, например, примерно 70, 200 или 300 мм. Отношение между диаметром прядильного диска и диаметром корзины Øa/Øp предпочтительно больше 2, даже больше 2,2 или же больше 2,5.
Кольцевая стенка корзины обычно содержит от 50 до 1000 отверстий, предпочтительно от 100 до 900 отверстий, более предпочтительно от 150 до 800 отверстий. Понятно, что здесь учитываются только отверстия, использующееся во время работы прядильного устройства, то есть отверстия, с помощью которых эффективно образуется струя материала, предназначенного для превращения в волокна, между корзиной и прядильным диском. Отверстия могут быть сформированы в один или несколько рядов вокруг кольцевой стенке на всей высоте кольцевой стенки, в частности, в 2-6 рядов, чтобы однородно распределить материал, предназначенный для превращения в волокна, напротив кольцевой стенки прядильного диска. Обычно они имеют диаметр от 1,5 до 3 мм. Кольцевая стенка корзины предпочтительно имеет линейную плотность отверстий, то есть соотношение между числом отверстий и периметром корзины, больше 2 отверстий на см, предпочтительно больше 3 отверстий на см, даже больше 5 отверстий на см или же больше 7 отверстий на см.
Кольцевая стенка прядильного диска обычно содержит от 10000 до 60000 отверстий. Разумеется, число отверстий в диске подобрано к его диаметру. Эти отверстия обычно имеют диаметр от 0,5 до 1,5 мм. Они обычно распределены в несколько рядов вдоль кольцевой стенки. Отверстия в прядильном диске могут иметь постоянный диаметр по всей кольцевой стенке. Кольцевая стенка может также содержать несколько кольцевых зон, каждая из которых содержит отверстия с разными диаметрами, как описано, например, в WO02/064520.
Q
Q/N
Скорость подачи  материала, предназначенного для превращения в волокна, в корзину обычно составляет от 0,01 до 0,5 кг/сек. Расход на одно отверстие корзины, то есть отношение , предпочтительно больше 0,1 г/сек, даже больше 0,8 г/сек и может доходить до 2 г/сек. Скорость подачи материала, предназначенного для превращения в волокна, в корзину можно рассчитать, исходя из тяги.
Корзина и прядильный диск вращаются обычно со скоростью от 1000 до 4000 об/мин.
Настоящее изобретение относится также к устройству для получения минеральных волокон, содержащему корзину и прядильный диск, способные вращаться как одно целое вокруг оси вращения, причем корзина имеет кольцевую стенку, в которой проделано множество отверстий, и прядильный диск имеет кольцевую стенку, в которой проделано множество отверстий, причем устройство отличается тем, что кольцевая стенка корзины имеет линейную плотность отверстий больше 5 отверстий на см, предпочтительно больше 7 отверстий на см.
Так как пузырьки образуются при ударе струй, выбрасываемых из корзины, о запас расплавленного материала в прядильной диске, действительно выгодно увеличить, при постоянном расходе, число струй, образующихся на уровне корзины. Для этого устройство согласно изобретению содержит корзину, имеющую более высокую линейную плотность, и, таким образом, большее число отверстий, чем корзины, используемые обычно, чтобы способствовать присутствию пузырьков в минеральных волокнах. Так, кольцевая стенка корзины может содержать, например, от 110 до 210 отверстий в случае корзины диаметром 70 мм, от 310 до 620 отверстий в случае корзины диаметром 200 мм или же от 470 до 940 отверстий в случае корзины диаметром 300 мм.
Как правило, отверстия корзины могут иметь диаметр от 1 до 4 мм. Однако в одном частном варианте осуществления отверстия в корзине имеют диаметр меньше, чем в обычно использующихся корзинах, чтобы противодействовать эффекту, который может оказать увеличение числа отверстий в корзине на расход материала, предназначенного для превращения в волокна. Для классической корзины диаметром 70 мм, содержащей 2*50 отверстий, отверстия обычно имеют диаметр примерно 3 мм. Таким образом, в устройстве согласно изобретению диаметр отверстий корзины предпочтительно составляет от 1,2 до 2,9 мм, или от 1,5 до 2,5 мм. Однако другие факторы, такие как вязкость материала, предназначенного для превращения в волокна, или же скорость центрифугирования, также могут позволить адаптировать скорость подачи материала, предназначенного для превращения в волокна, при осуществлении способа согласно изобретению, без необходимости уменьшения диаметра отверстий корзины.
Другие характеристики, упомянутые выше в отношении корзины и прядильного диска, остаются, разумеется, в силе в отношении устройства согласно изобретению.
Устройство согласно изобретению обычно содержит кольцевую горелку, создающую вытягивающую газовую струю с высокой температурой, как описано выше. Оно может также содержать нагнетательное кольцо, находящееся под горелкой. Нагнетательное кольцо позволяет избежать слишком значительного рассеяния волокон относительно оси вращения. Устройство может также содержать индукционный кольцевой нагреватель и/или внутреннюю горелку под прядильным диском для нагрева самой нижней зоны прядильного диска, чтобы предотвратить или ограничить образование градиента температуры по высоте кольцевой стенки прядильного диска.
На фигуре 1 показан вид в разрезе предлагаемого изобретением устройства для получения минеральных волокон. Указания "верх", "низ", "выше" и "ниже" определены относительно вертикальной оси, когда устройство находится в положении центрифугирования, то есть когда ось вращения корзины и прядильного диска направлена по вертикальной оси, а материал, предназначенный для превращения в волокна, поступает сверху.
Устройство формирования минеральных волокон содержит прядильный диск 10, корзину 20 и вал 30 по оси X, предназначенный для вращения двигателем (не показан). Вал 30 является полым. На своем верхнем конце вал 30 соединен с устройством подачи расплавленного материала, предназначенного для превращения в волокна. Прядильный диск 10 и корзина 20 жестко закреплены на верхнем конце вала 30 посредством тюльпанообразной втулки 31. Прядильный диск 10 имеет кольцевую стенку 11, в которой проделано множество отверстий 12, и ограждающую стенку 13. Ограждающая стенка 13 образует верх прядильного диска 10, между кольцевой стенкой 10 и втулкой 31. Диаметр диска Øa определен как расстояние между осью X и верхней точкой A на наружной части кольцевой стенки 11, то есть на уровне плеча между ограждающей стенкой 13 и кольцевой стенкой 11. Корзина 20 имеет кольцевую стенку 21, в которой проделано множество отверстий 22. Диаметр корзины Øp определен как расстояние между осью X и наиболее внешней точкой кольцевой стенки 21. Корзина 20 находится внутри прядильного диска 10. Когда устройство для получения минеральных волокон находится в положении волокнообразования, ось X является вертикальной.
При работе устройства согласно изобретению вал 30, прядильный диск 10 и корзина 20 вращаются как одно целое вокруг оси X. Предназначенный для превращения в волокна расплавленный материал 100 течет в вал 30 от устройства подачи до корзины 20, где он разливается. Под действием вращения расплавленный материал, предназначенный для превращения в волокна, отбрасывается на кольцевую стенку 21 корзины 20, проходит сквозь совокупность отверстий 22 корзины 20 и выбрасывается на кольцевую стенку 11 прядильного диска 10 в виде филаментов 101. При этом в прядильном диске 10 образуется постоянный запас 102 расплавленного материала, предназначенного для превращения в волокна, чтобы питать совокупность отверстий 12, проделанных в кольцевой стенке 11 прядильного диска 10. Расплавленный материал, предназначенный для превращения в волокна, проходит через множество отверстий 12 в прядильном диске 10, образуя конусообразные потоки 103, которые удлиняются до предволокон 104, а затем до волокон 105.
Условия способа согласно изобретению способствуют образованию пузырьков в материале, предназначенном для превращения в волокна, при соударении филаментов 101 с запасом 102, имеющемся в прядильном диске 10. Пузырьки образуются в достаточном количестве и размере, чтобы они могли сохраниться в полученных минеральных волокнах.
Устройство внутреннего центрифугирование содержит обычно кольцевую горелку 40, создающую вытягивающую газовую струю высокой температуры. Ось симметрии кольцевой горелки совпадает с осью вращения X вала 30. Выход кольцевой горелки находится выше кольцевой стенки 11 прядильного диска 10, при этом вытягивающая газовая струя направлена тангенциально к кольцевой стенке 11 прядильного диска 10. Вытягивающая газовая струя позволяет одновременно нагревать кольцевую стенку 11 прядильного диска 10 и конусообразные потоки 103, которые образуются на выходе прядильного диска 10. Под действием вытягивающей газовой струи, создаваемой кольцевой горелкой 40, предволокна 104 вытягиваются, и их концевая часть создает непрерывные волокна 105, собирающиеся затем под прядильным диском 10.
Устройство для получения минеральных волокон может также содержать нагнетательное кольцо 50, находящееся под горелкой 40. Нагнетательное кольцо 50 придавливает волокна 105 к оси X и, тем самым, предотвращает рассеяние волокон 105 слишком далеко от оси X.
Состав материала, предназначенного для превращения в волокна, особо не ограничивается, если только из него можно образовать волокна способом внутреннего центрифугирования. Состав может меняться в зависимости от свойств, желаемых для получаемых минеральных волокон, например, биорастворимости, огнестойкости или теплоизоляции. Материал, предназначенный для превращения в волокна, предпочтительно является композицией для стекла типа натрий-кальций-боросиликатного стекла. Он может иметь, в частности, состав, который включает указанные ниже компоненты в весовых пропорциях, задаваемых следующими пределами:
SiO<sub>2</sub>
35-80%,
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-30%,
CaO+MgO
2-35%,
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
0-20%.
2
2
3
2
2
2
3
при условии, что обычно суммарное содержание SiO+AlO лежит в интервале от 50 до 80 вес.%, а суммарное содержание NaO+KO+BO в интервале от 5 до 30 вес.%.
В частности, материал, предназначенный для превращения в волокна, может иметь следующий состав:
SiO<sub>2</sub>
50-75%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-8%
CaO+MgO
2-20%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-3%
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
12-20%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2-10%
или же следующий состав:
SiO<sub>2</sub>
35-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10-30%
CaO+MgO
10-35%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2-10%
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
0-20%.
Материал, предназначенный для превращения в волокна, может быть изготовлен из чистых компонентов, но обычно его получают путем плавления смеси природных исходных материалов, которые вносят различные примеси.
Согласно изобретению, материал, предназначенный для превращения в волокна, предпочтительно имеет следующие свойства:
lg3
- температура, соответствующая вязкости 100 Па·с (T), ниже 1200°C, даже ниже 1150°C, предпочтительно в интервале от 1020°C до 1100°C или от 1050°C до 1080°C, и
liquidus
lg3
liquidus
- температура ликвидуса (T) такая, что разность между T и T превышает 50°C, в частности, температура ликвидуса 870°C или 900°C и до 950°C.
a
a
Температура подачи T материала, предназначенного для превращения в волокна, на вход вала 30 может варьироваться от 1000°C до 1550°C. Она может зависеть от ряда параметров, в частности, от природы материала, предназначенного для превращения в волокна, и характеристик устройства волокнообразования. Обычно температура T составляет порядка 1000-1200°C, предпочтительно от 1020°C до 1100°C.
Способ получения минеральных волокон согласно изобретению и устройство для получения минеральных волокон согласно изобретению позволяют получать минеральные волокна, имеющие значительно количество пузырьков. Пузырьки, присутствующие в минеральных волокнах, можно подсчитать путем измерения светорассеяния. Таким образом, настоящее изобретение относится также к минеральным волокнам, в частности, стекловате, имеющим светорассеяние DL больше 0,4, предпочтительно больше 0,5, более предпочтительно больше 0,6. Светорассеяние DL минеральных волокон определяется по измерению интенсивности света, рассеиваемого минеральными волокнами, помещенными в кювету спектрофотометра, заполненную эталонной жидкостью. Протокол измерения следующий:
Принцип
Кювета размерами 10мм*10мм*40мм освещается с первой боковой стороны светодиодным пятном и делается снимок на черном фоне на боковой стороне кюветы перпендикулярной первой стороне, при определенном времени экспозиции. Время экспозиции, одинаковое для всех образцов, выбирается так, чтобы детектор никогда не выходил на насыщение.
Затем путем анализа изображений измеряется среднее значение интенсивностей света в пикселях на зоне 7мм*28мм, ограниченной от краев кюветы на 1,5 мм и от дна на 3 мм.
Калибровка
Для калибровки измерений измеряют две реперные точки для кюветы, содержащей только эталонную жидкость (диметилфталат), и для кюветы, содержащей связующее, разбавленное в 100 раз водой.
Измерение
Образец 400 мг минеральных волокон, не содержащих связующего, вводят в кювету, заполненную эталонной жидкостью. После измерения средней силы света светорассеяние образца рассчитывают по следующей формуле:
I(образец), I(эталонная жидкость) и I(связующее)
в которой  представляют собой средние значения интенсивностей соответственно образца, эталонной жидкости и связующего, разбавленного в 100 раз.
Светорассеяние DL рассматриваемых минеральных волокон соответствует среднему значению светорассеяния, измеренному по меньшей мере на 6 образцах волокон.
Минеральные волокна согласно изобретению предпочтительно имеют состав, какой определен выше для материала, предназначенного для превращения в волокна.
Наконец, изобретение относится также к теплоизоляционным и/или звукоизоляционным продуктам, содержащим минеральные волокна согласно изобретению, полученные способом получения минеральных волокон согласно изобретению или с помощью устройства для получения минеральных волокон согласно изобретению.
Изобретение проиллюстрировано на следующих неограничивающих примерах.
Примеры
Эталонный пример (эталон), сравнительные примеры (C1 и C2) и примеры 1 и 2 согласно изобретению были реализованы с материалом, предназначенным для образования волокон, имеющим следующий состав, в весовых процентах:
SiO<sub>2</sub>
65,3%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,1%
CaO
8,1%
MgO
2,4%
Na<sub>2</sub>O
16,4%
K<sub>2</sub>O
0,7%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
4,5%
Характеристики использующегося прядильного устройства, а также условия волокнообразования подробно описаны в таблице 1 ниже.
Для эталонного примера используемое устройство волокнообразования представляет собой устройство без корзины, содержащее прядильный диск внизу. Таким образом, полученные волокна не содержат пузырьков. Для примеров C1, 1 и 2 использовались идентичные устройства волокнообразования, с той разницей, что в примерах 1 и 2 использовалась корзина с большим число отверстий, чем в сравнительно примере C1, в котором использовалась обычная корзина.
Таблица 1
Эталон
C1
Пр. 1
Пр. 2
Скорость подачи (кг/с)
0,23
0,23
0,23
0,23
T<sub>a</sub> (°C)
<i>1036</i>
<i>1036</i>
<i>1036</i>
<i>1036</i>
<i>μ</i><sub><i>a</i></sub> (Па·с)
147
147
147
147
Корзина:диаметр (мм)число отверстийдиаметр отверстий (мм)
-
200305,0
2002402,9
2006002,3
Прядильный дискдиаметр (мм)число отверстийдиаметр отверстий (мм)
40030270
<i>0,7</i>
40030270
<i>0,7</i>
40030270
<i>0,7</i>
40030270
<i>0,7</i>
Кольцевая горелка:температура (°C)
1300
1300
1300
1300
Индукционный кольцевой нагреватель:мощность (кВт)
<i>20</i>
<i>20</i>
<i>20</i>
<i>20</i>
F
<i>-</i>
<i>1900</i>
<i>15250</i>
<i>38120</i>
Светорассеяние волокон, полученных таким способом, измеряли, как описано выше, результаты представлены в таблице 2 ниже.
Таблица 2
Волокно
Эталон
C1
Пр. 1
Пр. 2
DL
0,13
0,30
0,53
0,71
Волокна по примерам 1 и 2 имеют намного большее светорассеяние, чем эталонные волокна и волокна по сравнительному примеру C1, что отражает наличие значительного количества пузырьков в волокнах по примерам 1 и 2.