DE1075295B

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Publication number: DE1075295B
Application number: DENDAT1075295D
Authority: DE
Publication date: 1960-02-11

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf anorganische Fasern.

Anorganische Fasern in Form von Glaswolle, Schlackenwolle oder Asbestwolle sind bekannt. Diese bekannten anorganischen Fasern haben eine Rohmaterialgrundlage, die in der Regel Kalk oder Dolomit enthält. Verwendung finden diese bekannten Fasern für Isolations- oder Filterzwecke, ohne jedoch hier den gestellten Anforderungen ganz genügen zu können. Anorganische Fasern mit hohem Kalk- oder Dolomitgehalt sind, chemisch gesehen, nicht besonders widerstandsfähig und zerfallen verhältnismäßig schnell; so ist z.B. ihre Löslichkeit in heißen Säuren sehr hoch.

Eine anorganische Faser, die die erwähnten \längel nicht besitzt, besteht gemäß der Erfindung aus 2¹Ii bis 50% Titandioxyd, 5 bis 5O°/o Aluminiumoxyd und 30 bis 70% Siliziumdioxyd sowie aus geringen Mengen an Eisenoxyd, Boroxyd und Alkalioxyd. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen anorganischen Faser besteht aus 47% Siliziumdioxyd, 43% Aluminiumoxyd, 7¹A: % Titandioxyd und 2¹A-% anderen oxydischen Bestandteilen.

Es sind bereits anorganische Fasern vorgeschlagen worden, die aus 88% Siliziumdioxyd, bestimmten Mengen von Boroxyd und Alkalioxyd und bis zu 12% Titanoxyd bestehen. Die Zusammensetzung dieser Fasern ist also anders als gemäß der Erfindung, und ein weiterer wesentlicher Unterschied der bekannten Fasern ist, daß sie zunächst nicht säurebeständig sind, da sich bei Säureangriff der größte Teil des Alkalioxyds, Erdalkalioxyds und Boroxyds herauslöst. Erst durch eine besondere Säurebehandlung können diese Fasern säurebeständig gemacht werden, wonach sich ein sehr hoher SiO₂-Gehalt ergibt. Eine solche Faser ist dann sehr porös und in der Hitze nicht formbeständig.

Die Fasern gemäß der Erfindung im oben angegebenen Bereich ihrer Zusammensetzung aus Titandioxyd, Aluminiumoxyd und Siliziumdioxyd sind dagegen in ihrem ursprünglichen Zustand säurebeständig, d. h. bedürfen keiner besonderen Säurebehandlung, um säurebeständig gemacht zu werden. Infolge des dadurch niedrigeren Si O₂-Gehalts sind die erfindungsgemäßen Fasern feuerfest. Dabei können die Fasern durch einfaches Schmelz- und Verfaserungsverfahren hergestellt werden.

Es sind anorganische Fasern aus Kaolin bekannt, die auch geringfügige Mengen Titanoxyd enthalten. Dieses Titanoxyd ist aber auf Verunreinigungen des Kaolins zurückzuführen und niemals mehr als bis zu 2% in der Faser enthalten. Andere bekannte anorganische Fasern haben eine Zirkonoxyd- oder Titandioxydbasis. Bei diesen bekannten Fasern ist aber Anorganische Faser

Anmelder:

The Carborundum Company,
Niagara Falls, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Cohausz, Dipl.-Ing. W. Floradc

und Dipl.-Ing. K.-H. Eissei, Patentanwälte,

Düsseldorf, Schumannstr. 97

John Charles McMullen, Niagara Falls, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

eine erhebliche Menge von Alkalioxyden vorhanden, ein Zusatz, der im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Vorschlag steht.

Ein zur Verfügung stehendes und billiges Ausgangsmaterial, das im Sinne vorliegender Erfindung befriedigende Ergebnisse gezeitigt hat, ist eine Titandioxydschlacke. Dieses Material ist bisher als Abfallprodukt von geringem Wert angesehen worden und stellt somit ein billiges Ausgangsmaterial der beiden Bestandteile Aluminiumoxyd und Titandioxyd dar. Eine typische chemische Analyse für diese Schlacke ist:

Gewichtsprozent

Al₂O₃ 74,20

Ti O₂' 23,94

FeO 1,66

SiO₂ 0,20

ZrO₂ 0,10

Das Ausgangsmaterial für diese Kieselsäure kann entweder Quarz, Flint oder weißer Sand sein. Wird Boroxyd als Flußmittel der Mischung beigegeben, so wird es gewöhnlich in der Form von Natriumborat zugeführt, obwohl Borsäureanhydrid Verwendung finden kann. Die oben beschriebene Titandioxdschlacke kann durch eine Mischung gleicher Oxyde in verhältnismäßig reiner Form ersetzt werden.

909 729/204

In der Zeichnung ist ein Dreistoffdiagramm des Systems AI₂O₃—-SiO₂—TiO₂ dargestellt. In diesem Diagramm stellt das schattierte Gebiet A in Faserform verwendbare Zusammensetzungen dar. Das kleinere schraffierte Gebiet B bezeichnet den Spielraum solcher Zusammensetzungen, in denen die Fasern leichter geschmolzen und ausgezogen werden können.

Sowohl die Felder A und B sind Vielecke, in der die Verbindungslinien zwischen den Punkten α bis f die Teilfläche des Feldes A und die Punkte g bis / die Teilfläche des Feldes B ausmachen. Die Lagen dieser Teilflächen sind in den Prozentverhältnissen SiO.,, Al₂O₃ und TiO₂ wie folgt:

Punkt	SiO₂ »/ο	AI₂O₃ °/o	TiO₂ °/o
a	47 Vä	50	2 Va
b	30	50	20
c	30	20	50
(/	45 70 70	5 5 27V₂	50 25 2V₂
e	45	45	10
/	40	45	15
g .	40 50	20 10	40 40
Jl	60	10	30
/	60	30	10
;
k
/

Beispiel I

Gewichtsteile

Rohmischung

Titandioxydschlacke (wie oben beschrieben) 50

Flint (Si Ο.,) 50

Natriumborat (Na₂B₄O₇) 1 Va

Die obige Zusammensetzung wurde nach gründlichem Mischen in einem Lichtbogenofen gleicher Art, wie er allgemein für die Herstellung von Aluminiumoxyd-Schleifmaterial Verwendung findet, geschmolzen, bis ein genügend großes Bad vorhanden war. Der Ofen wurde dann gekippt, wobei sich das geschmolzene Material in einem kleinen Strom aus dem Ofen ergoß, der im rechten Winkel durch einen Luftdruck von 5,5 his 7 kg/cm² getroffen wird. Das ausfließende Material wird verteilt und zu feinen Fasern ausgezogen, wonach es auf einem 6-mm-Sieb, das 1,50 m vor dem

15

Die starke Linie x-y in dem Diagramm stellt die Faserzusammensetzung bei der Anwendung von Flint (SiO₂) und als Quelle von Aluminiumoxyd und Titandioxyd eine Schlacke obiger Zusammensetzung dar, wobei der Schlackenprözentsatz in lO°/oigen Anteilen variiert. Der Punkt y stellt die Verhältnisse von Al₂O₃ und TiO₂ in der Schlacke ohne irgendwelche Zugaben dar. Die ersten vier Zusammensetzungen am r-Punkt der Linie ergaben beim Schmelzen und Blasen keine Fasern, sondern bildeten Kügelchen. Die Zusammensetzungen aber von 40 bis 6O°/o SiO₂ und 60 his 40% der Titandioxydschlacke, die in das FeId^i fallen, konnten gut geschmolzen und zu Fasern ausgezogen werden. Die Zusammensetzungen höheren Kieselsäuregehaltes waren zu viskos und ließen sich nicht gut verarbeiten.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die folgenden Beispiele hochqualitativen Fasermate- 5» rials angegeben.

55 Ofen steht, gesammelt wird. Nach Entfernung des größten Teils des kugelförmigen Materials sind die Fasern klar zur Verarbeitung in Matten oder anderen Formen und werden in formloser Masse, entwedei lose oder in anderer Gestalt weggebracht.

Das Folgende ist eine chemische Analyse der sich ergebenden Glasfaser:

SiO₂ 46,99%

Al₂O₃ 43.19%

TiO₂' 7,55%

Fe₂O₃ 0,43%

Na₂O 0,56%

B,O._{ 1.28%

Das Fasermaterial hat einen Schmelzpunkt um etwa 1680° C. Wird es für 24 Stunden kochendem destilliertem Wasser ausgesetzt, so zeigt das nach Beispiel I hergestellte Material nur einen Gewichtsverlust von etwa 0,11%, der geringer ist als der bei Schlackenwolle beobachtete Gewichtsverlust, da die Schlacke eine beachtliche Menge alkalischer Erdoxyde enthält. Bei einer 1 stündigen Einwirkung normaler auf 96° C erhitzter Salzsäure zeigt das nach Beispiel I hergestellte Fasermaterial einen Gewichtsverlust von nur 8,41%, wohingegen Schlackenwolle von Aluminiumoxyd und Kieselsäure mit einem beachtlichen Gehalt von Oxyden der alkalischen Erden unter ähnlichen Bedingungen einen mehr als 50%igen Gewichtsverlust zeigt.

Beispiel II Rohmischung Gewichtsteile

Titandioxydschlacke (wie oben beschrieben) 30 Weißes Aluminiumoxyd der Sorte A-I .... 20

Flint " 50

Natriumglas (Na₂B₄O₇) 1 V₂

Das weiße, im Beispiel II verwendete Aluminiumoxyd weist folgende chemische Analyse auf:

Gewichtsteile

Al₂O₃ 98,89

SiO₂" 0.03

Na₂O 0,55

Fe₂O₃ 0,03

TiO₂ ^- 0,004

H₂O (gebunden) 0,50

H₂O (frei) 1,25

Derartige Fasern waren in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften ähnlich dem des Beispiels I. Die kalkulierte chemische Analyse der sich ergebenden Glasfaser war wie folgt:

6o

SiO₂ 49,0%

Al₂O₃ 42,0%

TiO₂' 7,1%

Fe₂O₃ 0,4%

Na₂O 0,5%

B₂O₃ 1,0%

Ein hochqualitatives feines Fasermaterial wurde aus den folgenden Mischungen hergestellt, bei denen der Titandioxydgehalt wesentlich höher war als bei dem Fasermaterial der Beispiele I und II.

Beispiel III

Tafel

SiO,

Al

TiU₀

40%

₂O₃ 20%

O'40%

40%

5 SiO,

Unter anderen Materialien, die auch als Quelle für Aluminiumoxyd, Kieselsäure und/oder Titandioxyd zur Herstellung anorganischer Fasern nach dieser Erfindung Verwendung finden können, ist Demarara Bauxit, Indischer Bauxit, Kyanit, Ton, gemahlene Schamotte, Rutilit und Georgischer Bauxit zu nennen. Es hat sich gezeigt, daß bei den Fasern mit den obigen Zusammensetzungen der Prozentsatz an Kügelchen oder nichtfasrigem Material wesentlich geringer als die Menge von Kügelchen bei anderen Zusammensetzungen von Fasermaterial ist.

Beispielsweise wurden Fasern nach Beispiel I einem Aufschwemmverfahren ausgesetzt, um Kügelchen oder nichtfasriges Material von den Fasern zu trennen; es wurde dabei festgestellt, daß der Anteil an Kügelchen oder nichtfasrigem Material bis zu 27V2 % betrug. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß ein großer Teil des nichtverfaserten Materials von solcher Feinheit war, daß es vom Standpunkt der Isolationsfähigkeit außer acht gelassen werden kann. Im Gegen- satz dazu wiesen Fasern mit anderen Zusammensetzungen die doppelte Menge von Kügelchen auf, wobei diese in einer höheren Größenordnung vorhanden waren und deswegen in Betracht gezogen werden müssen.

Die Überlegenheit der anorganischen Faser nach der Erfindung, verglichen mit anderen Schlackenwollefasern kalkhaltiger Natur hinsichtlich der Säurebeständigkeit, wird in der Tafel weiter unten wiedergegeben, in der die Zusammensetzungen verschiedener anorganischer Fasern sowie die Verlustprozente an Gewicht nach Einwirkung von auf 96° C erhitzter Salzsäure angegeben sind. Die in den Spalten A, B und C dargestellten Zusammensetzungen anorganischer Fasern stellen drei verschiedene feuerfeste Fasern dar, die verschiedene Titandioxydprozentsätze, aber auch große Mengen von Kalziumoxyd aufweisen. Spalten D und E geben die nach den Beispielen I und II hergestellten Zusammensetzungen an. Es ist dabei zu bemerken, daß die beiden anorganischen oxydischen Fasern gemäß der Erfindung einen Gewichtsverlust von nur 8 bis 9% nach Salzsäureeinwirkung aufwiesen, während alle drei Fasern, die große Kalkbestandteile haben, einen Gewichtsverlust von 67 bis 79% hatten.

Daraus geht hervor, daß die Fasern gemäß der Erfindung allen anderen Schlacke- oder Mineralwollen hohen Gehalts an Kalziumoxyd oder anderer alkalischer Erden überlegen sind.

Al₂O₃ Ti O₂ Fe₂O₃ CaO Na₂O ₂₃

Verlust in Prozentgewicht
nach Einwirkung von H Cl
auf 960° C für
Stunde

A	B	C	D
12	12	12	48,8
26	26	26	37.0
5	10	15	12,0
8	8	8	0,7
45	40	35	—
4	4	4	0,5
			1.0
78,44	67,22	67,19	8.41

49,0

42,0

Claims

Patentansprüche:

1. Anorganische Faser, dadurch gekennzeichnet,

daß sie aus 2Va bis 50% Titandioxyd, 5 bis 50% Aluminiumoxyd und 30 bis 70% Siliciumdioxyd sowie ferner aus noch geringen Mengen an Eisenoxyd, Boroxyd und Alkalioxyd besteht.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 47% Siliciumdioxyd, 43% Aluminiumoxyd, 7Va % Titandioxyd und 2V2% anderen oxydischen Bestandteilen besteht.

3. Faser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 47% Kieselsäure, 43% Aluminiumoxyd, 7V2% Titandioxyd, 174% Boroxyd und Rest Eisen- und Alkalioxyd besteht.

4. Anorganische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 30 bis 70% Siliciumdioxyd, 5 bis 50% Aluminiumoxyd und 2V2 bis 50% Titandioxyd und aus weniger als 10% Erdalkalioxyden besteht.

5. Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 1 % Erdalkalioxyde enthält.

6. Anorganische Faser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 30 bis 70% Siliciumdioxyd, 5 bis 50% Aluminiumoxyd und 2V2 bis 50% Titandioxyd, weniger als 10% CaO, weniger als 5% MgO, weniger als 5% Alkalioxyde und weniger als 5% B₂O₃ besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 218 012,
776;

USA.-Patentschriften Nr. 2 494 259, 2 699 397.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen