DE19724874A1 - Glaszusammensetzung und Verfahren zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Glasfasern - Google Patents
Glaszusammensetzung und Verfahren zur Herstellung hochtemperaturbeständiger GlasfasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Glaszusammensetzung für spinn
fähiges Glas zur Herstellung von nach mineralsaurer Extrak
tion hochtemperaturbeständigen Glasfasern, wobei die Glas
zusammensetzung Siliciumdioxid als Hauptkomponente aufweist
sowie fernerhin Aluminiumoxid und Alkalioxid als Komponen
ten enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren
zur Herstellung von bei Temperaturen zwischen 750 und
1100°C beständigen Glasfasern. - Glasfasern meint im
Rahmen der Erfindung auch Glasfäden sowie insbesondere
Strangfasern, Stapelfasern und Endlosfasern (Filamente).
Diese Glasfasern werden regelmäßig aus einem spinnfähigen
Glas, das in Form von Pellets, Kugeln oder Glasstäben ein
gesetzt wird, mit üblichen Spinnverfahren hergestellt. Da
bei wird mit in der Glasfaser- bzw. Glasseidenherstellung
gebräuchlichen Spinnvorrichtungen gearbeitet. Die auf diese
Weise hergestellten Glasfasern bzw. Glasfäden können zu
Glasfasergarnen oder -zwirnen, flächenförmigen
Folgeprodukten, wie beispielsweise Geweben und Bändern,
aber auch zu Vliesen, Schnüren und Packungen weiter
verarbeitet werden. Regelmäßig ist es wünschenswert, bei
hohen Temperaturen beständige bzw. hitzefeste Glasfasern
herzustellen, die nichtsdestoweniger eine ausreichend hohe
Festigkeit aufweisen. - Es ist bekannt, Glasfasern, die aus
der eingangs genannten Glaszusammensetzung hergestellt
sind, nach dem Spinnverfahren einer mineralsauren Extrak
tion zu unterziehen. Dabei werden die Glasfasern mit einer
Mineralsäure behandelt, wobei die dem Glas zur
Schmelzpunkterniedrigung zugesetzten Bestandteile, insbe
sondere Alkalioxide, zumindest teilweise extrahiert werden.
Hierdurch wird die Temperaturbeständigkeit der Glasfasern
beachtlich erhöht, so daß sie für den Einsatz im
Temperaturbereich von 750 bis 1100°C geeignet sind.
Bei der bekannten Glaszusammensetzung der eingangs genann
ten Art, von der die Erfindung ausgeht (DE-PS 36 03 909),
handelt es sich bevorzugt um sogenanntes E-Glas, das einen
Siliciumdioxid-Anteil von weniger als 65 Gewichts-% und
mehr als 8 Gewichts-% aufweist. Darüber hinaus vorge
schlagenes C-Glas ist, insbesondere aufgrund des ebenfalls
beachtlichen Calciumoxid-Gehaltes von mehr als 8 Gewichts-%
chemisch resistenter und daher gegenüber dem Angriff von
Mineralsäuren wesentlich beständiger. Zur Verbesserung der
Temperaturbeständigkeit werden die aus der E-Glaszusammen
setzung hergestellten Glasfasern zunächst einer mine
ralsauren Extraktion ausgesetzt. Um eine ausreichende
Festigkeit und eine funktionssichere Weiterverarbeitung der
Glasfasern zu gewährleisten, müssen die extrahierten
Glasfasern nachträglich mit einem feuchtigkeitsdichten,
dünnen, elastischen Überzug in Form eines Kunststoffilmes
versehen werden. Insoweit wird mit der bekannten Glas
zusammensetzung eine sehr aufwendige Nachbehandlung der
Glasfasern erforderlich. - Ähnliches gilt auch für eine
weitere bekannte Glaszusammensetzung bzw. ein weiteres be
kanntes Verfahren (DE-OS 37 25 506). Um die Elastizität und
Verarbeitbarkeit der aus dieser Glaszusammensetzung herge
stellten Glasfasern sicherzustellen, werden die Glasfasern
nach Säureextraktion mit einer anionischen Ladung versehen
und dann wird auf diese Fasern ein kationisches Kieselsol
aufgezogen. Anschließend werden die Glasfasern mit einer
Appretur versehen. Auch diese Maßnahmen sind sehr aufwendig
und infolgedessen kostspielig.
Zum Stand der Technik gehören fernerhin Glaszusammen
setzungen für alkalibeständige Gläser, die Siliciumdioxid-Ge
halte bis zu 75 Gewichts-% aufweisen (DE-OS 31 07 600).
Diese für alkalibeständige Gläser bestimmte
Glaszusammensetzung liefert jedoch nach mineralsaurer
Extraktion keine hochtemperaturbeständigen Glasfasern bzw.
Glasfaserfolgeprodukte.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine
Glaszusammensetzung der eingangs genannten Art anzugeben,
aus der auf wenig aufwendige Weise Glasfasern herstellbar
sind, die eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit (750 bis
1100°C) aufweisen und nichtsdestoweniger allen
Anforderungen an die Festigkeit und Verarbeitbarkeit
genügen. Der Erfindung liegt weiterhin das technische
Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von
hochtemperaturbeständigen Glasfasern anzugeben.
Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung
zunächst eine Glaszusammensetzung der eingangs genannten
Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Glaszusammen
setzung
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O) und/oder Kaliumoxid (K2O),
und 0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3)
aufweist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Glas zusammensetzung nach Patentanspruch 2. - Vorzugsweise wird als Alkalioxid lediglich Natriumoxid, nämlich 15 bis 30 Gewichtsteile, bevorzugt 15 bis 25 Gewichtsteile, Natri umoxid, eingesetzt. Zweckmäßigerweise sind in der erfin dungsgemäßen Glaszusammensetzung 2 bis 4 Gewichtsteile, vorzugsweise 3 Gewichtsteile, Aluminumoxid vorgesehen. Die Glaszusammensetzung kann fernerhin geringe Mengen an Calciumoxid (CaO), Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), Titandioxid (TiO2), Magnesiumoxid (MgO) und Boroxid (B2O3), insbesondere als Verunreinigungen, aufweisen. Es versteht sich, daß fernerhin Spuren weiterer Komponenten in der Glas zusammensetzung vorhanden sein können.
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O) und/oder Kaliumoxid (K2O),
und 0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3)
aufweist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Glas zusammensetzung nach Patentanspruch 2. - Vorzugsweise wird als Alkalioxid lediglich Natriumoxid, nämlich 15 bis 30 Gewichtsteile, bevorzugt 15 bis 25 Gewichtsteile, Natri umoxid, eingesetzt. Zweckmäßigerweise sind in der erfin dungsgemäßen Glaszusammensetzung 2 bis 4 Gewichtsteile, vorzugsweise 3 Gewichtsteile, Aluminumoxid vorgesehen. Die Glaszusammensetzung kann fernerhin geringe Mengen an Calciumoxid (CaO), Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), Titandioxid (TiO2), Magnesiumoxid (MgO) und Boroxid (B2O3), insbesondere als Verunreinigungen, aufweisen. Es versteht sich, daß fernerhin Spuren weiterer Komponenten in der Glas zusammensetzung vorhanden sein können.
Zur Lösung des technischen Problems lehrt die Erfindung
weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperatur
beständigen Glasfasern, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß aus einem spinnfähigen Glas einer Glaszusammensetzung
mit 65 bis 75 Gewichtsteilen Siliciumdioxid, 15 bis 30 Ge
wichtsteilen Natriumoxid und/oder Kaliumoxid und 0,1 bis 5
Gewichtsteilen Aluminiumoxid in einer Spinnvorrichtung
Glasfasern erzeugt werden und anschließend diese Glasfasern
mit zumindest einer Mineralsäure extrahiert werden. Eine
bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist im Patentanspruch 5 angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit der
erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung Glasfasern herstell
bar sind, die bis zu sehr hohen Temperaturen (750 bis
1100°C) beständig sind und nichtsdestoweniger eine hohe
Festigkeit aufweisen sowie eine einfache und
funktionssichere Weiterverarbeitung gewährleisten, ohne daß
aufwendige Nachbehandlungsmaßnahmen, beispielsweise
Beschichtungsmaßnahmen, für die Glasfasern erforderlich
werden. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis
zugrunde, daß im Rahmen der erfindungsgemäßen
Glaszusammensetzung der beanspruchte hohe Siliciumdioxid-Ge
halt eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe
chemische Resistenz der hergestellten Glasfasern bedingt,
wobei nichtsdestoweniger eine problemlose Verspinnbarkeit
des spinnfähigen Glases gewährleistet bleibt. Zu einer
optimalen Verspinnbarkeit des spinnfähigen Glases trägt
insbesondere der erfindungsgemäß beanspruchte Anteil an
Aluminiumoxid bei, über den die Spinnviskosität der Glas
schmelze optimal eingestellt werden kann. Mit der bean
spruchten Glaszusammensetzung können Glasfasern hergestellt
werden, die nach der mineralsauren Extraktion eine über
raschend hohe Temperaturbeständigkeit zumindest bis zu Tem
peraturen von 1050°C aufweisen. Die Glasfasern sind dabei
nach erfolgter Säureextraktion einer textilen Weiterver
arbeitung zugänglich, wobei während dieser Verarbeitung
lediglich ein vernachlässigbarer Staubungsanteil anfällt.
Darüber hinaus bleiben die Formbeständigkeit und Elastizi
tät der erfindungsgemäßen Glasfasern und Glasfaserfolge
produkte nach der Mineralsäurebehandlung erhalten.
Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene
Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung und Ausführung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so
geführt, daß das spinnfähige Glas in Form von Pellets
eingesetzt wird. Es liegt aber auch im Rahmen der
Erfindung, das spinnfähige Glas in jeder anderen Form,
z. B. in Form von Kugeln oder Glasstäben in der
Spinnvorrichtung einzusetzen. Vorzugsweise werden die Glas
fasern im Rahmen eines Stabziehverfahrens erzeugt. Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Glasfasern eignen sich
die üblichen, in der Glasfaser- bzw. Glasseidenherstellung
verwendeten, Spinnvorrichtungen. Vorzugsweise werden Glas
fasern mit einem Durchmesser von 6 bis 15 µm erzeugt. Es
liegt im Rahmen der Erfindung, daß in der Spinnvorrichtung
bzw. im Rahmen des Spinnverfahrens Strangfasern oder Sta
pelfasern hergestellt werden. Diese können zu Stapelfaser
garnen, Zwirnen und dergleichen weiterverarbeitet werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, im Rahmen des Spinn
verfahrens Filamente zu erzeugen, die zu Filamentgarnen
weiterverarbeitet werden können. Nach bevorzugter Ausfüh
rungsform der Erfindung werden die Glasfasern bzw. Glas
fäden zu flächenförmigen Produkten, wie Geweben, Gewirken,
Gestricken und dergleichen weiterverarbeitet. Die aus der
erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung hergestellten Glas
fasern zeichnen sich insoweit durch eine besonders einfache
und vielseitige Weiterverarbeitbarkeit aus.
Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die
mineralsaure Extraktion mit Salzsäure durchgeführt. Vor
zugsweise werden die Glasfasern im Rahmen der mineralsauren
Extraktion zu 2 bis 20 Gewichts-% von säurelöslichen
Bestandteilen befreit. Nach einer Ausführungsform der
Erfindung wird die mineralsaure Extraktion an den
Glasfasern vor ihrer Weiterverarbeitung durchgeführt. Es
liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß die Glasfasern
zunächst zu einem Fertigprodukt verarbeitet werden und die
mineralsaure Extraktion anschließend an dem Fertigprodukt
durchgeführt wird.
Die aus den erfindungsgemäßen Glasfasern bzw. Glasfäden er
zeugten Produkte, insbesondere flächenförmigen Produkte,
wie beispielsweise Gewebe, sind vorzugsweise als thermisch
beständige Produkte im Hochtemperaturbereich einsetzbar.
Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung eine
Ausführungsform, bei der erfindungsgemäß hergestellte
Stapelfaser-Vorgarne einer mineralsauren Extraktion
unterzogen werden. Ein Einsatz solcher Stapelfaser-Vorgarne
als thermisch beständige Produkte im Hochtemperaturbereich
zwischen 750 und 1100°C ist bislang aus dem Stand der
Technik nicht bekannt.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Glaszusammensetzung ange
geben, die außer den im Patentanspruch 1 beanspruchten
Komponenten weitere Nebenkomponenten, insbesondere als
Verunreinigungen enthält und die folgenden Gewichtsanteile
aufweist:
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O),
0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3),
0 bis 3 Gewichtsteile Kaliumoxid (K2O),
0 bis 3 Gewichtsteile Calciumoxid (CaO),
0 bis 1 Gewichtsteil Eisen(III)-Oxid (Fe2O3),
0 bis 1 Gewichtsteil Titandioxid (TiO2),
0 bis 1 Gewichtsteil Magnesiumoxid (MgO),
und 0 bis 1 Gewichtsteil Boroxid (B2O3).
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O),
0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3),
0 bis 3 Gewichtsteile Kaliumoxid (K2O),
0 bis 3 Gewichtsteile Calciumoxid (CaO),
0 bis 1 Gewichtsteil Eisen(III)-Oxid (Fe2O3),
0 bis 1 Gewichtsteil Titandioxid (TiO2),
0 bis 1 Gewichtsteil Magnesiumoxid (MgO),
und 0 bis 1 Gewichtsteil Boroxid (B2O3).
Die Glaszusammensetzung kann außerdem Spurenanteile von
weiteren Komponenten enthalten. - Nach der mineralsauren
Extraktion weisen die aus der oben aufgeführten Glaszusam
mensetzung hergestellten Glasfasern die Komponenten vor
zugsweise in den folgenden Gewichtsanteilen auf:
95 bis 99 Gewichtsteile Siliciumdioxid,
0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Natriumoxid,
0 bis 3 Gewichtsteile Calciumoxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Eisen(III)-Oxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Titandioxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Magnesiumoxid.
0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Natriumoxid,
0 bis 3 Gewichtsteile Calciumoxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Eisen(III)-Oxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Titandioxid,
0 bis 1 Gewichtsteil Magnesiumoxid.
Es versteht sich, daß auch nach der mineralsauren Extrak
tion Spurenanteile weiterer Komponenten in den Glasfasern
enthalten sein können.
Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die
mineralsaure Extraktion so geführt, daß zweckmäßigerweise
50 g der erfindungsgemäß hergestellten Glasfasern, vor
zugsweise Strangfasern, in 2 bis 20%iger Salzsäure inner
halb von 2 bis 8 Stunden bei Temperaturen von 40 bis 80°C
extrahiert werden. Anschließend werden die Strangfasern mit
Wasser gespült und daraufhin 8 bis 16 Stunden bei 40 bis
80°C getrocknet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs
beispiels näher erläutert:
Glaspellets der folgenden Glaszusammensetzung wurden im
Rahmen eines Spinnverfahrens zur Glasfaserherstellung ein
gesetzt:
73 Gewichtsteile Siliciumdioxid,
24 Gewichtsteile Natriumoxid
und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid.
24 Gewichtsteile Natriumoxid
und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid.
Die Glaszusammensetzung enthielt Spurenanteile weiterer
Komponenten. Aus dieser Glaszusammensetzung hergestellte
Strangfasern wurden einer mineralsauren Extraktion mit
Salzsäure unterzogen. Dabei wurden 50 g Strangfasern in
einem PTFE-Gefäß in 250 ml 10%iger Salzsäure innerhalb von
3,5 Stunden bei einer Temperatur von 60°C extrahiert. Nach
10 Minuten Abtropfzeit wurden die so behandelten Faser
stränge dreimal mit je 200 ml destilliertem Wasser gespült
(Spülzeit 3 Minuten). Daraufhin wurden die extrahierten und
gespülten Glasfaserstränge 12 Stunden bei einer Temperatur
von 55°C getrocknet. Danach wiesen die Strangfasern die
folgende Zusammensetzung auf:
97 Gewichtsteile Siliciumdioxid
und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid.
97 Gewichtsteile Siliciumdioxid
und 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid.
Es versteht sich, daß außerdem Spurenanteile der oben
genannten weiteren Komponenten enthalten waren. Die auf
diese Weise hergestellten und behandelten Glasfasern sind
für den Hochtemperatureinsatz bis mindestens 1050°C
geeignet. Bei der Weiterverarbeitung waren keine
nennenswerten Staubungsanteile zu beobachten.
Claims (13)
1. Glaszusammensetzung für spinnfähiges Glas zur Herstel
lung von nach mineralsaurer Extraktion hochtemperatur
beständigen Glasfasern, wobei die Glaszusammensetzung Sili
ciumdioxid als Hauptkomponente aufweist sowie fernerhin
Aluminiumoxid und Alkalioxid als Komponenten enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammen
setzung
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O) und/oder Kaliumoxid (K2O)
und 0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3)
aufweist.
65 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 30 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O) und/oder Kaliumoxid (K2O)
und 0,1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3)
aufweist.
2. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Glaszusammensetzung
70 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 25 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O) und/oder Kaliumoxid (K2O)
und 1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3)
aufweist.
70 bis 75 Gewichtsteile Siliciumdioxid (SiO2),
15 bis 25 Gewichtsteile Natriumoxid (Na2O) und/oder Kaliumoxid (K2O)
und 1 bis 5 Gewichtsteile Aluminiumoxid (Al2O3)
aufweist.
3. Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß 15 bis 30 Gewichtsteile, be
vorzugt 15 bis 25 Gewichtsteile, Natriumoxid als Alkalioxid
eingesetzt sind.
4. Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 4 Gewichtsteile, vorzugs
weise 3 Gewichtsteile Aluminiumoxid vorgesehen sind.
5. Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen
Glasfasern, dadurch gekennzeichnet, daß aus ei
nem spinnfähigen Glas einer Glaszusammensetzung mit 65 bis
75 Gewichtsteilen Siliciumdioxid, 15 bis 30 Gewichtsteilen
Natriumoxid und/oder Kaliumoxid sowie 0,1 bis 5 Gewichts
teilen Aluminiumoxid in einer Spinnvorrichtung Glasfasern
erzeugt werden und anschließend diese Glasfasern mit zu
mindest einer Mineralsäure extrahiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
mit einem spinnfähigen Glas einer Glaszusammensetzung mit
70 bis 75 Gewichtsteilen Siliciumdioxid, 15 bis 25
Gewichtsteilen Natriumoxid und/oder Kaliumoxid sowie 1 bis
5 Gewichtsteilen Aluminiumoxid gearbeitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das spinnfähige Glas in Form von
Pellets eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glasfasern im Rahmen eines
Stabziehverfahrens erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß Glasfasern mit einem Durchmesser von 6
bis 15 µm erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die mineralsaure Extraktion mit
Salzsäure durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glasfasern im Rahmen der mineral
sauren Extraktion zu 5 bis 20 Gewichts-% von säurelöslichen
Bestandteilen befreit werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die mineralsaure Extraktion an den
Glasfasern vor ihrer textilen Weiterverarbeitung durchge
führt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glasfasern zu flächenförmigen Pro
dukten, beispielsweise zu Geweben, Bändern, Vliesen,
Schnüren oder Packungen verarbeitet werden und die
mineralsaure Extraktion an diesen Folgeprodukten
durchgeführt wird.
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