CZ24078U1 - Zdravotně nezávadné anorganické pojivo pro anorganická tepelně izolační vlákna a anorganická tepelně izolační vlákna s tímto pojivém - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § l zák. č. 478/1992 Sb.

CZ 24078 Ul

Zdravotně nezávadné anorganické pojivo pro anorganická tepelně izolační vlákna a anorganická tepelně izolační vlákna s tímto pojivém

Oblast techniky

Technické řešení se týká zdravotně nezávadného anorganického pojivá pro anorganická tepelně izolační vlákna. Anorganické pojivo je připraveno ve vodném prostředí, po nanesení na povrch anorganických vláken je vysušeno.

Technické řešení se týká též anorganických tepelně izolačních vláken s tímto pojivém.

Dosavadní stav techniky

Existují dvě Široké skupiny pojiv pro minerální vlákna, organická a anorganická pojivá.

Organická pojivá, která slouží ke zlepšení vlastností výsledných výrobků z vláken při nízkých teplotách, avšak při vyšších teplotách může docházet k jejich spálení.

Anorganická pojivá rovněž zlepšují vlastnosti výrobků z vláken při nižších teplotách, avšak většinou snesou také působení vysokých teplot.

Je známo velké množství patentovaných a užívaných řešení pro lubrikaci a pojení anorganických vláken na bázi organických kompozic a organických rozpouštědel.

Např. CZ PV 1996-635, s prioritou 1. 3.1996 FR, přihlašovatele Vetrotex France, FR, popisuje pojivovou kompozici pro skleněná vlákna a způsob výroby pojených vláken. Pojivová kompozice obsahuje nejméně jednu reaktivní epoxy-funkční skupinu.

CZ PV 1993-2700, s prioritou 10. 4. 1992 FR, přihlašovatele Isover Saint-Gobain FR, uvádí melaminové pojivo k urychlení vytvrzování nerostné vlny.

CZ PV 1996-3200, s prioritou 6, 3. 1995 DE, přihlašovatele Isover Saint-Gobain řeší způsob zlepšení mechanických vlastností rohože ze skleněných vláken aplikací pojiv na bázi fenolové kondenzované pryskyřice. Pro zmenšení vlivu stárnutí se před vytvrzením pojivá působí na skleněnou rohož slabou kyselinou, např. kyselinou boritou nebo karbonovou kyselinou.

CZ 294 887, s prioritou 4. 6. 1997 US, majitele Owens Corning Composites S.P.S.L., BE popisuje vysoce rozpustnou apretační kompozici pro vlákna, zejména skelná vlákna. Tato kompozice obsahuje termoplastický polyuretan na bázi polyetheru, dále kopolymer vinylacetátu a glycidylmetharylátu nebo směs kopolymeru vinyl acetátu a glycidyl methakrylátu s homopolymerem vinylacetátu, dále silanové pojivové Činidlo a vodu.

Shora uvedená organická pojivá na skleněných vláknech jsou určena většinou pro průmyslové účely, pro tepelně izolační vlastnosti, pro stavební nebo průmyslové izolace. Pojivá na bázi organických sloučenin a rozpouštědel uvolňují organická rozpouštědla jako formaldehyd, atp., která nevyhovují hygienickým předpisům a neumožňují použití za vyšších teplot.

Je známa řada patentovaných řešení anorganických pojiv pro anorganická vlákna. Jedná se většinou o kompozitní pojivá s více složkami, určená pro speciální účely.

Např. JP 55 085 437 A, s prioritou 22. 12. 1978 JP, přihlašovatele Daiichi Kašel JP, se zabývá způsobem povrchové úpravy skleněných vláken. Řešení si klade za cíl vytvořit ochranný film, odolný alkáliím a slabým kyselinám na skleněných vláknech, působením vodného roztoku anorganických sloučenin, např. solí zinku a kovových fluorokřemičitanů. Pro povrchovou úpravu skelných vláken se používá vodný roztok 50 až 90 % hmotn. zinečnaté a olovnaté soli a 10 až 50 % hmotn. fluorokřemičitanů sodného a horečnatého. Tato úprava je vhodná skleněná vlákna z G-skla, obsahující 25 % hmotn. ZrO₂. Použití ve vodě rozpustných olovnatých sloučenin je v potravinářském průmyslu nepřípustné.

-1 CZ 24078 Ul

DE 1 9709405 A, s prioritou 8. 3. 1996 IT, přihlašovatele Saint Gobain Isover, FR řeší problém tepelně izolačního materiálu pro vařiče. Anorganické vlákno je impregnováno anorganickým pojivém mono/difosforečnanem hlinitým, kde molámí poměr A1₂O₃ ku P2O5 je 0,33 až 0,67 as výhodou 0,4 až 0,6. Pojivo dále může obsahovat 2 až 10 % hmotn. CaO a/nebo amoniaku 1 až

8 % hmotn. s výhodou 2 až 6 % hmotn. Pojivo na bázi fosforečnanů může podporovat růst mikroorganizmů, což též není vhodné pro potravinářský průmysl, např. pro chladírenskou techniku.

Podstata technického řešeni

Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatně omezí u zdravotně nezávadného anorganického pojivá pro anorganická tepelně izolační vlákna, podle tohoto technického řešení. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že zdravotně nezávadné anorganické pojivo obsahuje vodný roztok křemičitanu lithného o koncentraci 1 až 30 % hmotn. křemičitanu lithného, s výhodou 10 až 25 % hmotn.. V tomto roztoku je molámí poměr SiO₂ ku Li₂O 1 až 50 : 1, s výhodou 3 až 25 : 1. Tento roztok se dále ředí vodou v poměru 1 : 50 až 1 : 100, s výhodou v poměru 1 : 70 až 1 : 100.

Předmětem technického řešení jsou též anorganická tepelně izolační vlákna se zdravotně nezávadným anorganickým pojivém, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že anorganické vlákno má povrchovou vrstvu, která obsahuje 2 až 20 % hmotn. křemičitanu lithného.

Anorganická tepelně izolační vlákna podle tohoto technického řešení mají povrchovou vrstvu křemičitanu lithného, která vykazuje navlhavost po dobu 1 až 50 dnů v rozmezí 0,5 až 4 % hmotn. vody, s výhodou 0,7 až 1,3 % hmotn.

Anorganická tepelně izolační vlákna podle tohoto technického řešení s povrchovou vrstvou křemičitanu lithného vykazují vratnou deformaci v rozmezí 95 až 100 %.

S výhodou je anorganickým tepelně izolačním vláknem minerální vlákno nebo skleněné vlákno.

Hlavní výhodou tohoto technického řešení je získání pojivá pro anorganická tepelně izolační vlákna, s minimální navlhavostí, snadného na přípravu pojivá ve vodném roztoku pouze s jednou složkou, dokonce běžně dostupnou, bez jakýchkoliv dalších složek a bez toxických organických i anorganických složek. Vodný roztok křemičitanu lithného je běžné lithné vodní sklo s různou koncentrací křemičitanu lithného. Důležitý a rozhodující je poměr SiO₂ ku LiO₂ pro vlastnosti finální povrchové vrstvy křemičitanu lithného na povrchu anorganických tepelně izolačních vláken. Čím vyšší je obsah SiO₂ v pojivu tím má tato povrchová vrstva vyšší průhyb. Cím vyšší je obsah Li₂O v pojivu, tím má tato povrchová vrstva nižší navlhavost. Vodný roztok lithného vodního skla se ještě ředí vodou, 50* až 100*, což činí z pojivá podle tohoto technického řešení ekonomicky velmi zajímavou a dostupnou metodu pojení.

Vekou předností tohoto technického řešení je rozšířená aplikace anorganických tepelně izolačních vláken, dodržující zdravotní a hygienické předpisy v oblasti potravinářských technologií, např. pro tzv. bílou techniku. Tyto materiály musí vyhovovat přísným limitům pro uvolňování zdraví škodlivých látek. Vrstvy z anorganických tepelně izolačních vláken se zdravotně nezávadným anorganickým pojivém podle tohoto technického řešení tato kriteria splňují a splňují i další požadavky jako je odolnost proti vlhkosti, tvarová stálost a vysoká vratná deformace. Přitom vlastní anorganické tepelně izolační vlákno s pojivém podle tohoto technického řešení si ponechává všechny své výhody.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobně popsán dále v příkladných provedeních a blíže osvětlen na připo45 jeném obrázku, znázorňujícím průhyb skelných vláken s anorganickým pojivém.

-2CZ 24078 Ul

Příklady provedení technického řešení

Při hledání zdravotně nezávadného pojivá na anorganická tepelně izolační vlákna s náročnými požadavky předcházel dlouhodobý vývoj, výzkum, hledání a zkoušky.

Nejprve byly testovány tri druhy pojiv.

První skupinou byla organická pojivá. Bylo testováno organické pojivo na bázi vodné disperze akryláto-esterového kopolymeru, obchodního názvu je Acronal A 420 S, výrobce BASF, vytvrzujícího se ohřevem na 120 až 150 °C.

Druhou skupinou zkoušených pojiv byla anorganicko-organická pojivá na bázi siloxanů (silikonů). Jedná se o polymemí oxid křemičitý SiO₂, modifikovaný nej častěji methylovými skupinami -CH} vázanými přímo na atomy Si. Tím se snižuje koncentrace můstkových siloxanových vazeb =Si-O-Si= a roste pružnost tohoto materiálu. Na část atomů Si jsou navázány hydroxylové skupiny -OH. Při kontaktu s povrchem např. skelného vlákna, na kterém jsou také navázány tyto skupiny, dochází ke kondenzační reakci za vzniku velmi pevné siloxanové vazby a molekul vody:

polysiloxan-Si(CH₃)₂-OH + HO-Si-vlákno -* polysiloxan Si(CH₃)₂-Si-vlákno + H₂O

Třetí skupinou testovaných pojiv byla dvě siloxanová pojivá Lukofob L39 a Lukofob ELX, vyráběná Lučebními závody Kolín. Účinnou složkou Lukofobu L39 je methylsilanolát draselný CH₃-Si(OK)₃. V Lukofobu ELX je účinnou složkou methylsiloxanová pryskyřice.

Z testovaných pojiv přísným požadavkům nevyhovovalo žádné organické pojivo z první skupiny ani anorganicko-organické pojivo ze druhé skupiny. Třetí testovaná skupina siloxanových pojiv dávala určitou naději. Tato siloxanová pojivá byla testována na skleněných tepelně izolačních vláknech. Pri zkouškách se ukázalo, že tento typ pojiv sice má určitou odolnost proti navlhnutí, avšak ne dostatečně nízkou. Vzorky byly značně zvlhlé, lepivé a povrchová vrstva ve formě krusty byla narušená.

Z těchto důvodů byla tato pojivá vyloučena z dalších zkoušek.

Proto byla dále vybrána pojivá na bázi vodního skla, draselného, sodného a lithného a geopolymemího. Ukazovalo se, že pojivá ve vodném prostředí by byla určitou možnou cestou. Bylo odzkoušeno i méně užívané lithné vodní sklo, které je sice několikanásobně dražší než draselné a sodné sklo, ale protože se dál ředí vodou 50* až 100*, je jeho použití ekonomicky dostupné.

Dále jsou uvedena konkrétní příkladná provedení pro srovnání, nejlépe ilustrující výběr pojiv. Složení pojiv

Byly připraveny 4 vzorky pojiv o následujícím složení:

1) Sodné vodní sklo o koncentraci 15 % hmotn. o molámím poměru SiO₂/Na₂O = 3,63 bylo dále ředěno vodou 80*, tedy v poměru 1 ku 80.

2) Draselné vodní sklo o koncentraci 15 % hmotn. o molámím poměru SiO₂/K₂O ~ 3,28 bylo dále ředěno vodou 80 x.

3) Lithné vodní sklo o koncentraci 15 % hmotn. o molámím poměru SiO₂/Li₂O = 24,13 bylo dále ředěno vodou 80*.

4) Lithné vodní sklo o koncentraci 15 % hmotn. o molámím poměru SiO₂/Li₂O = 2,84 bylo dále ředěno vodou 80 x.

Byly připraveny shodné tepelně izolační skelné vláknité rohože ze skla typu ROTAFLEX®, výrobce Union Lesní Brána a.s., Dubí, Česká republika. Na každé z těchto rohoží byl proveden prostrik rohože po tenkých vrstvách, připraveným vodným pojivém na bázi roztoku sodného, draselného a lithného vodního skla, podle shora uvedených příkladů složení.

-3CZ 24078 Ul

Tyto rohože s pojivý byly sušeny do konstantní váhy, po dobu cca 5 hodin při 135 °C. Poté byly známými a standardními zkouškami provedeny testy na záchyt pojivá na povrchu skelných vláken. Výsledky záchytu povrchové vrstvy na skleněné rohoži byly následující:

1) záchyt 5,88 % hmotn. křemičitanu sodného;

2) záchyt 6,34 % hmotn. křemičitanu draselného;

3) záchyt 5,63 % hmotn. křemičitanu lithného;

4) záchyt 7,32 % hmotn. křemičitanu lithného.

Z výsledků je zřejmé, že povrchová anorganická vrstva Li₂SiO₃ z pojivá na bázi vodního lithného skla obsahuje od 5,63 % hmotn. do 7,32 % hmotn. Li₂SiO₃ na tepelně izolačních skelných vlákio nech dle příkladů provedení 3 a 4.

Navlhavost

Dále byly prováděny zkoušky na působení vlhkostí na tyto vzorky rohoží s pojivý podle čtyř shora uvedených příkladů provedení 1 až 4.

Suché vzorky byly vloženy do vlhkostní komory o 100% relativní vlhkosti a průběžně byl zjiš15 ťován nárůst hmotnosti v závislosti na čase, jak je ukázáno v následující Tabulce.

Současně pro srovnání byly do vlhkostní komory vloženy 3 vzorky těchže tepelně izolačních skleněných rohoží, ale bez pojivá.

Ke zkoušce byly použity vzorky rohoží, kde pojivo bylo naneseno nástřikem na obě strany vzorku o přibližných rozměrech 10 ^x 10 cm. Po vysušení byly vzorky uloženy do vlhkostní skri20 ně pri 20 °C a 90 až 95% relativní vlhkosti, a byl sledován nárůst hmotnosti vzorku vztažený na jeho původní hmotnost.

Tabulka: Změny hmotnosti vzorků působením vlhkosti: nárůst hmotnosti v povrchové vrstvě ve hmotn. %, čas expozice uveden jako počet dnů:

Doba	Skleněné	Skleněné	Skleněné	Příklad 1	Příklad 2	Příklad 3	Příklad 4
Dny	vlákno bez pojivá	vlákno bez pojivá	vlákno bez pojivá	Skleněné vlákno s vrstvou Na2SiO3	Skleněné vlákno s vrstvou K2S»O3	Skleněné vlákno s vrstvou Li^SiOs	Skleněné vlákno s vrstvou LÍ2SÍO3
1	2,6	1.0	2,0	-	-	1.8	0,8
2	2,8	1,1	2,3	-	-	2,2	1,0
4	-	-	-	19,5	27,6	-
6	-	-	-	-	-	3,4	1.2
7	3,2	0,7	1,4	-	-	3,7	1,3
9	2,9	0,7	1,4	-	-	4,0	1,3
10	2,5	J,0	1.5	-	-	4,1	1,2
13	-	1,1	1,5	-	-	-	-
14	1.5	-	-	-	-	4,1	1.2
17	1,5	-	-	-	-	-	-
18		-	-	-	-	-	-
20	2,3	-	-	-	-	-	-
21	-	-	-	-	-	3.4	1.0
28	-	-	-	-	-	2.6	0,9
35	-	-	-	-	-	2.6	0,8
38	-	-	-	-	-	2.6	0.8
41	-	-	-	-	-	2.6	0,8
43	-	-	-	38,3	42,0	2,9	0,7
Pozn.	+	+	+	-	-	+	+

-4CZ 24078 Ul

V tabulce „PoznA (Poznámka) znamená, že vzorek vyhověl (+) nebo nevyhověl (-).

Z tabulky je patrné, že nárůst vlhkosti 3 vzorků skelných vláken bez pojivá byl pozorován v počátečních dnech, jako zřejmě zbytková voda ze vzdušné vlhkosti na povrchu skleněných vláken.

V pokročilejší době po 14 dnech v podstatě žádný nárůst vlhkosti na skleněných vláknech nebyl zaznamenán.

U vzorků skleněných vláken s pojivý na bázi sodného a draselného vodního skla, tedy s povlakovou vrstvou Na₂SiO₃ a K₂SiO₃ byly pozorovány poměrně vysoké nárůsty vlhkostí, od 19,5 % hmotn. do 42,0 % hmotn. Tyto hodnoty navlhavosti jsou vysoké pro daný účel. Přílišné navlhnutí povrchové vrstvy na vláknech vede ke ztrátě tepelně-izolačních vlastností výrobku.

io Oba vzorky podle příkladu provedení 3, 4 s pojivém na bázi lithného skla, a s povrchovou vrstvou Li₂SiO₃ jsou z hlediska navlhavosti vyhovující. Vzorek 4 s molámím poměrem SÍO2/L12O = 24,13 vykazuje přírůstek hmotnosti vody v % hmotn. dokonce nižší než u rohoží bez pojivá, tj. blízko 1 % hmotn., což je z hlediska navlhavosti vynikající výsledek.

Průhyb

Dále je uvedeno měření průhybu vzorků podle příkladů 3 a 4, pojených pojivém na bázi lithného vodního skla, tedy s povrchovou vrstvou Li₂SiO₃. Pro srovnání je uvedeno také měření téhož vzorku rohože bez pojivá a rohože pojené pojivém na bázi běžné formaldehydové pryskyřice.

Dále je uvedeno měření průhybu vzorků skleněných rohoží s pojivém. K měření byla použita trhačka typu FPZ 100/1, výrobce Fritz Heckert, Německo. Ve spodní části trhačky je převodovka lychlosti posunu horního hrotu. Posun byl nastaven na rychlost v rozsahu 0,15 až 6 mm.min¹. Hodnota rychlosti uvnitř tohoto rozsahu se nastavuje potenciometrem označeným V_T ve spodní sekci. Nastavení bylo 7,2 což odpovídá rychlosti posunu 5,1 mm.min¹. Byl nastaven nejnižší rozsah síly 0 až 20 N.

Vzorky ve tvaru 20 x 100 mm χ výška téhož typu skleněné rohože ROTAFLEX®, byly umístěny mezi dvěma plastovými foliemi o tloušťce 0,3 mm. Rozteč spodních hrotů nastavena na 50 mm. Byly odečítány hodnoty síly v N při postupujícím průhybu, po 1 mm, a to od 0 do 30 mm. Rychlost posunu horního hrotu směrem dolů: 17,4 s/10 mm = 1,74 s/mm = cca 0,6 mm.s'¹.

Měření průhybu vzorků s pojivém na bázi lithného vodního skla, tedy s povrchovou vrstvou Li₂SiO₃ na skleněných vláknech, je uvedeno na připojeném obrázku. Pro srovnání je uvedeno také měření téhož vzorku rohože bez pojivá a rohože pojené pojivém na bázi běžné formaldehydové pryskyřice. Na obrázku je znázorněna závislost měření průhybu uvedené jako vynaložená síla v N na průhyb vzorků v mm, dle uvedené metody.

Na připojeném obrázku odpovídá:

křivka 1 vzorku skleněného vlákna s formaldehydovou povrchovou vrstvou, křivka 2 vzorku skleněného vlákna bez povrchové vrstvy z pojivá, křivka 3 vzorku skleněného vlákna s povrchovou vrstvou Li₂SiO₃ dle příkladu 3, a křivka 4 vzorku skleněného vlákna s povrchovou vrstvou Li₂SiO₃ dle příkladu 4.

Křivka 2 skleněného vlákna bez jakéhokoliv povrchové vrstvy vytvořené z pojivá má nejnižší průhyb. O něco lepší je průhyb skleněného vlákna s povrchovou vrstvou vytvořenou na bázi formaldehydu. Nej lepší výsledky dávají dvě horní křivky 3 a 4, odpovídající povrchové vrstvě s Li₂SiO₃ na tepelně izolačních skleněných vláknech dle příkladu 3 a 4. Oba tyto vzorky vyžadují pro stejný průhyb cca 2x vyšší vynaloženou sílu než pro povlak s formaldehydovou pryskyřicí.

Z těchto výsledků je zřejmá stabilita vzorků 3 a 4 proti ohybu, což je další důležitou vlastností, zajišťující, aby se tepelně izolační rohože s povrchovou vrstvou Li₂SiO₃ nedeformovaly vlastní vahou.

-5CZ 24078 Ul

Vratná deformace

Tato zkouška poskytuje informaci o schopnosti stlačeného vzorku vrátit se do původního stavu, tj. o jeho schopnosti pružit. Vzorky cca 10 χ 10 cm byly umístěny mezi 2 pevné desky. Na homí desku se vkládala zátěž. Výška rohože byla měřena a to vždy počáteční stav před zatížením, po zatížení s prodlevou 10 s a relaxace po uplynutí 1 min. po odebrání zátěže. Zatížení se zvyšovalo v řadě: 0,31 kPa, 0,62 kPa a 0,93 kPa. Bylo dosaženo následujících hodnot:

vzorek bez pojivá vzorek s vrstvou FF pryskyřice vzorek 3 s vrstvou Li₂SiO₃ vzorek 4 s vrstvou Li₂SiO₃ až 73 % 90%

97% až 100 %.

Z uvedeného přehledu je zřejmé, že nejlepší výsledky dává opět povrchová vrstva s Li₂SiO₃.

Průmyslová využitelnost

Řešení je určeno pro tepelně izolační materiál používaný v potravinářském průmyslu a tzv. bílé technice.

Claims (8)

15 NÁROKY NA OCHRANU

1. Zdravotně nezávadné anorganické pojivo pro anorganická tepelně izolační vlákna, které je připraveno ve vodném prostředí a po nanesení na povrch anorganických vláken je vysušeno případně vytvrzeno, vyznačující se tím, že obsahuje vodný roztok křemičitanu lithného o koncentraci 1 až 30 % hmotn. kremičitanů lithného, v němž 20 molámí poměr SiO₂ ku Li₂O je 1 až 50 : 1, přičemž tento roztok se dále ředí vodou v poměru 1 : 50 až 1 : 100.

2. Zdravotně nezávadné anorganické pojivo podle nároku 1, vyznačující se tím že vodný roztok kremičitanů lithného má koncentraci 10 až 25 % hmotn.

3. Zdravotně nezávadné anorganické pojivo podle nároku 1, vyznačující se tím, 25 že molámí poměr SiO₂: Li₂O je 3 až 25 : 1.

4. Zdravotně nezávadné anorganické pojivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodný roztok křemičitanu lithného se dále ředí vodou v poměru 1 : 70 až 1 : 100.

5. Anorganická tepelně izolační vlákna se zdravotně nezávadným anorganickým pojivém, připraveným ve vodném prostředí, po nanesení na povrch anorganických vláken, a vysušeným a ao případně vytvrzeným, podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že mají povrchovou vrstvu, která obsahuje 2 až 20 % hmotn. křemičitanu lithného.

6. Anorganická tepelně izolační vlákna podle nároku 5, vyznačující se tím, že povrchová vrstva křemičitanu lithného vykazuje navlhavost po dobu 1 až 50 dnů v rozmezí 0,5 až 4 % hmotn. vody, s výhodou 0,

7 až 1,3 % hmotn.

35 7. Anorganická tepelně izolační vlákna nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že vykazují vratnou deformaci v rozmezí 95 až 100 %.

8. Anorganická tepelně izolační vlákna podle některého z nároků 5 až 7, vyznačující se t í m, že anorganickým vláknem je minerální vlákno nebo skleněné vlákno.