DE2847283A1 - Zur faserverarbeitung geeignete glaszusammensetzung - Google Patents

Zur faserverarbeitung geeignete glaszusammensetzung

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DE2847283A1 DE19782847283 DE2847283A DE2847283A1 DE 2847283 A1 DE2847283 A1 DE 2847283A1 DE 19782847283 DE19782847283 DE 19782847283 DE 2847283 A DE2847283 A DE 2847283A DE 2847283 A1 DE2847283 A1 DE 2847283A1
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Description

PATENTANWÄLTE
K. SIEBERT G. GRÄTTINGER
Dipl.-Ing.
Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-lng.
8130 Starnberg bei München Postfach 16 49, Almetdaweg 35 Telefon (08151) 41 15 u. 1 66 40 Telegr.-Adr.: STARPAT Starnberg Telex: 526 422 star d
den
Anwaltsakte: 7314/51
Johns-Manville Corporation, Ken-Caryl Ranch, Denver, Colorado 80217, USA
Zur Faserverarbeitung geeignete Glaszusammensetzung
909818/1014
Poetscheckkonto München 2726-804 · Kreissparkasse Stamberg 68940 - Deutsche Bank Starnberg 59/17570
Ein gebräuchliches Herstellverfahren für Glasfasern ist das Rotations-oder Zentrifugierverfahren, gemäß welchem eine Glasschmelze aus einem Ofen in eine rotierende, hitzebeständige und metallische Spinnvorrichtung mit einer großen Anzahl von Öffnungen an den Umfangswänden eingeführt und auf einer relativ hohen Temperatur gehalten wird. Um die Spinnvorrichtung sind Dampfdüsen, Luftdüsen oder Gasbrenner angeordnet, wodurch nach unten gerichtete gasförmige Ströme mit einem ringförmigen Querschnitt erzeugt werden. Die Spinnvorrichtung dreht sich mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, wobei die Materialschmelze unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft radial nach außen durch die Öffnungen in der Spinnvorrichtung gedrängt und im Gasstrom über den Umfang der Spinnvorrichtung ausgesetzt wird, welcher das Material in-Fasern mit kleinen Durchmesser streckt.
Eine kürzliche Verbesserung dieses Verfahrens erlaubt die Herstellung von Glasfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser unterhalb 7 Mikrometer ohne das Erfordernis, einen Gasstrom mit einer relativ hohen Temperatur zur Herstellung der Primärfasern zu verwenden. Es hat sich herausgestellt, daß Stapelfasern mit dem gewünschten Durchmesser alleine dadurch erzeugt werden können, indem das Schmelzmaterial durch die öffnungen eines Rotors in eine Vielzahl von relativ kalten Gasströmen mit einem relativ geringem Druck geleitet werden, wodurch der heiße Gasstrom, welcher bislang verwendet worden ist, mit dem dadurch bedingten Brennstoffverbrauch ausgeschaltet werden kann.
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ORIGINAL INSPECTED
Eine zufriedenstellende Herstellung von Fasern durch das oben beschriebene Verfahren erfordert, daß die Glaszusammensetzungen bestimmte definierte Eigenschaften besitzen. Eine der Haupteigenschaften besteht darin, daß das Glas eine relativ geringe Schmelz- und Yerarbeitungstemperatttr aufweist,, so daß es schnell und kontinuierlich mit einem Minimum an Energie zur Aufschmelzung des Materials verarbeitet werden kann. Die geringe Arbeitstempe— ratur ist auch erforderlich, um die Korrosion und den Verschleiß der metallischen Spinnvorrichtung zu minimieren. Das Glas muß auch eine Liquidus—Temperatur aufweisen, welche ausreichend niedriger als die relativ geringe Arbeitstemperatur ist, wodurch eine Faserbildung durch das oben beschriebene Verfahren bei einer geringen Temperatur ohne Entglasung, d.h. ohne unerwünschte Kristallbildung, ermöglicht wird. Zusätzlich muß das Glas eine Viskosität bei diesen relativ geringen Arbeitstemperaturen aufweisen, die ausreichend niedrig ist, um große Faserproduktionen zu ermöglichen. Ein letztes Erfordernis besteht in der chemischen Beständigkeit. Wesentlich ist die Verwendung einer Glaszusammensetzung, mit welcher die Herstellung von Fasern mit einer außerordentlich hohen Wetterbeständigkeit möglich ist, da ein Großteil der Faserfläche pro Gewichtseinheit der Umgebung ausgesetzt ist, so daß die Fasern dem korrosiven Einfluß der Umgebungsluft, insbesondere der Feuchtigkeit, ausgesetzt sind. Bislang verwendete Glaszusammensetzungen, welche die Anforderungen an den Erweichungspunkt,
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Liquiduspiankt und Beständigkeit erfüllen, sind allerdings durch relativ hohe Arbeitstemperaturen gekennzeichnet«
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu !beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Glaszusammensetzung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gelöst in Gewichtsteilen durch:
SiO2 54 - 57 Al2O3 3-4
CaO 10 - 13
Na2O 16 - 19
B2°3 9-12
ZnO 1 - 3,5
sowie durch eine Erweichungstemperatur von etwa 653°C (12070F). bis 6600C ( 1221°F) eine Liquidustemperatur von etwa 927°C (17000F) bis 949°C (17400F) sowie durch eine Temperatur bei einer Viskosität von 1000 Poise von 921°C (16900F) bis 943°C (1730°F).
Die Beständigkeit der Glaszusammensetzungen in Form von Fasern mit feinem Durchmesser gegenüber einem chemischen Angriff durch Wasser wird durch Eintauchen von Einzelfaserproben mit fünf Mikrometer in reinem Wasser bei einer Temperatur von 10Ö°C und einer Dauer von einer Stunde festgestellt. Der Gewichtsverlust bewegt sich zwischen 2,1% und 3,0%.
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Durch die Erfindung wird demnach eine Glaszusammensetzung geschaffen, die eine Faserbildung durch das Rotationsverfahren bei niedrigen Betriebstemperaturen erlaubt. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung eine geringe Liquidus-Temperatur sowie einen guten Widerstand gegenüber einer Kristallbildung auf. Schließlich sind die aus diesen Glaszusammensetzungen gebildeten Fasern in hohem Maße widerstandsfähig gegenüber einem chemischen Angriff, insbesondere Feuchtigkeit.
Desweiteren zeichnen sich die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen durch ausgezeichnete fluide Eigenschaften aus, wodurch bei relativ geringen Betriebstemperaturen hohe Produktionsraten erzielbar sind. Auch wird der Verschleiß und die Korrosion des Metallrotors, welcher für das Faserbildungsverfahren verwendet wird, minimiert.
Diese gegenüber den bekannten Glaszusammensetzungen erzielten Vorteile, insbesondere hoher Feuchtigkeitswiderstand und verbesserte Verarbeitungsund Betriebseigenschaften, insbesondere geringe Viskosität bei geringen Temperaturen sind bedingt durch die kombinatorische Zusammenwirkung oder Wechselwirkung wesentlicher Oxidbestandteile in einem relativ geringen Bereich, wodurch die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen gekennzeichnet sind.
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- ία -
Die nachfolgende Tabelle I gibt in Gewichtsteilen eine Analyse einiger Glassorten an, welche getestet worden sind, wobei sechs Beispiele der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beinhaltet sind. Die Verarbeitungs— und chemischen Eigenschaften dieser sieben Zusammensetzungen sind wie folgt:
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1 0 TABELLE 3 I 4 4 5 6 3 7 D
55, 6 2 55, 2 55,2 54,5 55, 3 57,0: £0,4
SiO2 3, 5 55,2 3, 7 3,6 *}' Q.
j φ ©j		 3, S 3,6 ±0,3
Al2O3 11, 8 3,6 14, 5 11,7 11,0. 10, 1 IQ, 1 ±0,4
CaO 17, 8 11,8 16, 7 17,0 16,3 17, 1 17,2 ±0,3
Na2O 9, 5 16,5 8, 9,7 10,0 11, 3 9,2 ±0,3
B2O3 1, 13 9,7 — 08 1,4 1,5 ι, 06 1,5 ±0,2
ZnO ο, 4 1,4 ο, 7 0,08 0,05 Oi 7 0,08 ±0,2
Fe2O3 ο, 2 0,05 ο, 6 0,7 2,7 ο, 3 0,7 ±0,2
κ2ο ο, 1 Ii2 ο, 1 0,4 0,2 ο, 1 0,3 ±0,2
MgO ο, 0,3 ο, 0,2 0,1 ο, 0,3 ±0,05
SO, 0,2
Erweichungs- 1215 1221 1215 1215 1215 1207 1221 punkt
Liquidus 1740 1740 1845 1720 1720 1710 1700 0F
%-Gevj.-Verlust n.m.· 2,1 4,4 2,3 n.m.· 3,0 2,3 Wassertest
Vol. von neu- n.m.* 4,2 9,9 4,4 n.m.· 5,4 4,1 tr al is ierendem
in ml pro
2 4
100 ml Testwasser
Viskosität 1690 1730 1715 1730 1710' 1710 1700 1710 0F bei 1000
(geschätzt)
•nicht gemessen
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28Λ7283
Sämtliche dieser Gläser mit Ausnahme von Beispiel 3 können zufriedenstellend bei Rotorbetrieb zu Fasern verarbeitet werden» Beispiel 3 weist einen höheren liiqiuidiaspuinict und eine niedrigere Viskosität auf und neigt zur Kristallbildung im Rotor aufgrund des ihoihen Liquiduspumikts 9 was die Herstellung von ihochqualitativen Fasern verhindert. Die anderen Beispiele zeigen die exzellenten Verarbeitungs— eigenschaften auf, d.h. niedriger Erweichungspunkt, Liquidus und Viskosität sowie ausgezeichneter Widerstand gegen Feuchtigkeit, was durch den geringen Gewichtsverlust und die niedrige Alkaliauflösung in Wasser gezeigt ist.
Die mit "D" in Tabelle I überschriebene Spalte zeigt die normale prozentuale Abweichung einer jeden Komponente, welche vorliegen kann, um trotzdem Glaszusammensetzungen zu erzielen, die den aufgelisteten Zusammensetzungen äquivalent sind. Somit kann beispielsweise bei der Glaszusammensetzung Nr. 1 der Siliciumbestandteil von 54,8% um ± 0,4% variieren, d.h. von 54,4 % bis 55,2%, ohne irgendeine wesentliche Änderung der Glaseigenschaften. Die Anteile der anderen Bestandteile können selbstverständlich auch innerhalb der in Spalte '1D" aufgelisteten annehmbaren Grenzen variieren, um die Veränderung des Siliciumdioxid zu kompensieren. Alle Glaszusammensetzungen, die innerhalb dieser Abweichungen für eine besondere in Tabelle I aufgezeichnete Glaszusammensetzung fallen, sind demnach als identisch mit der aufgelisteten Glaszusammensetzung anzusehen.
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Die Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung und die daraus hergestellten Glasfasern besitzen einen bevorzugten Bereich der Hauptbestandteile, der wie folgt angegeben ist:
Bestandteil Gewichtsteile
SiO2 54,5 - 57,0
Al2O3 3,3 - 3,8
CaO 10,1 - 12,2
Na2O 16,2 - 18,1
B2O3 9,2 - 11,1
ZnO 1,2 - 1,7
Spezifische Glaszusammensetzungen, welche bevorzugte Ausführungbeispiele der Erfindung darstellen, sind in den Beispielen 1 und 2 sowie 4, 5, 6, 7 und der Tabelle I angegeben. Diese Glaszusammensetzungen besitzen ausgezeichnete Fluideigenschaften bei üblichen Arbeitstemperaturen bei der Faserherstellung durch Rotationsverfahren und können bei Temperaturen verwendet werden, die beträchtlich unterhalb den Temperaturen liegen, die allgemein für diese Faserherstellung verwendet werden, wodurch ein geringerer Verschleiß und geringere Korrosion der metallischen Spinneinrichtungen, die für das Rotationsverfahren verwendet werden, festzustellen.ist. Die geringe Liquidustemperatur dieser Glaszusammensetzungen erlaubt die Verarbeitung des Schmelzmaterials bei relativ geringen Temperaturen, wodurch die Gefahr der Entglasung oder Bildung von Kristallen während der Faserbildung ausgeschlossen wird. Darüber hinaus hat es sich herausgestellt, daß diese Gläser einen sehr guten Widerstand und eine große Beständigkeit
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gegenüber einem Feuchtigkeitsangriff aufweisen, wenn sie in Form von feinen Fasern vorliegen (Tabelle I).
Siliciumdioxid (SiOp) ist der grundlegende glasbildende Bestandteil. Geringere Mengen an Siliciumdioxid bedingen schlechtere Faserbildungseigenschaften. Größere Mengen erhöhen die Viskosität und erfordern höhere Temperaturen zur Faserbildung.
Aluminiumdioxid (Al2O3) trägt zur Beständigkeit bei und hemmt die Entglasung, erhöht aber auch die Viskosität, so daß übermäßige Mengen an Aluminiumdioxid vermieden werden müssen, da sonst die Glasschmelze zu viskos für die Faserbildung wird.
Kalziumoxid (CaO) trägt zur Beständigkeit gegenüber Wasserangriff bei und hilft darin, die Glaszusammensetzungen bei der Verarbeitungstemperatur im Bereich von ungefähr 17000F bis 18000F fluid, also fließfähig zu halten.
Natriumoxid (Na2O) ist das am meisten aktive Flußmittel und wird in den Glaszusammensetzungen dazu verwendet, die erwünschten Viskositätserfordernisse aufrechtzuerhalten. Üblicherweise müssen dessen Anteile beschränkt werden, da das Oxid hauptsächlich für den Wasserangriff der Glaszusammensetzungen verantwortlich zeigt; allerdings ist die Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung mit der angegebenen Na2O Menge außerordentlich beständig gegenüber Wasserangriff.
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Boroxid (B2O3) dient als Flußmittel und ist ebenfalls notwendig, um die chemische Beständigkeit zu erhalten.
Zinkoxid (ZnO) ist ein Hauptbestandteil, welcher bei Verwendung bis zu 3,5 Gew.—Teile im wesentlichen zur Beständigkeit gegenüber dem Wasserangriff beiträgt, eine größere Wirkung auf die Beständigkeit als ein äquivalentes Gewicht von CaO oder MgO besitzt. Falls ZnO nicht verfügbar ist, können zur Verbesserung der chemischen Beständigkeit auch TiOp oder ZrO2 mit ungefähr 2 Gew.-Teilen verwendet werden.
Fe2O-, TiO2 und K2O liegen in den Glaszusammensetzungen in kleinen Beträgen als Unreinheiten des aus wirtschaftlichen Gründen verwendbaren Basismaterials vor.
Magnesiumoxid (MgO) ist ein Bestandteil, welcher in etwa die Eigenschaften der Zusammensetzungen in ähnlicherweise wie Kalziumoxid beeinflußt. Es liegt ebenfalls als Unreinheit im Basismaterial
Das SO3 resultiert aus der Verwendung von Sulfaten zur Unterstützung des Schmelzvorgangs oder rührt von Unreinheiten her.
Die Verwendung von allgemein verfügbaren wirtschaftlichen Basismaterialien kann dazu führen, daß kleine Beträge anderer Oxide, wie etwa BaO und SrO in der Glaszusammensetzung vorliegen,
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ohne den Rahmen der Erfindung jedoch zu verlassen. Modifikationen und ¥eränderungen liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung.
Starnberg, den 20. Oktober 1978 /1068
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Claims (9)

Patentansprüche
1. Zur Faserverarbeitung geeignete Glaszusammensetzung, bei welcher die gebildeten Fasern gegenüber Feuchtigkeit widerstandsfähig sind, gekennzeichnet in Gewichtsteilen durchs
SiO2 54-57 Al2O3 3-4
CaO 10 - 13
Na2O 16 - 19 B2O3 9-12
ZnO 1-3,5
sowie durch eine Erweichungstemperatur von etwa 653°C (12070F) bis 660°C (122l°F) eine Liquidustemperatur von etwa 927°C (17000F) bis 949°C (17400F) sowie durch eine Temperatur bei einer Viskosität von 1000 Poise von 921°C (16900F) bis 943°C (17300F).
2. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gewichtsteile:
54,5 - 57,0
3,3 - 3,8
10.1 - 12,2
16.2 - 18,1 9,2 - 11,1
ZnO 1,2 - 1,7
SiO 2 Al2 °3 CaO Na2 0 B2O 3
3. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet in Gewichtsteilen durch:
SiO2 54,5 - 55,6
Al2O3 3,4 - 3,8
CaO 11,0 - 12,2
Na2O 16,2 - 18,1
B2O3 9,4 - 10,0
ZnO 1,2 - 1,7
sowie durch eine Erweichungstemperatur von etwa 654°C (1209°F) bis 660°C (1221°F).
4. Glaszusammensetzung, gekennzeichnet in Gewichtsteilen durch:
54,8 - 55,6
3,4 - 3,8
11,3 - 12,1
16,7 - 17,3
9,4 - 10,0
ZnO 1,2 - 1,6
sowie durch eine Erweichungstemperatur von etwa 654°C (12090F) bis 660°C (1221°F).
SiO 2 Al, °3 CaO Na2 0 B2O 3
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5. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet in Gewichtsteilen durch
SiO2 55,3 - 57,0
Al2O3 · 3,6 - 3,8
CaO 10,1 - 10,8
Na2O 17,1 - 17,2
B2O3 9,2 - 11,1
ZnO 1,3 - 1,5
sowie durch eine Liquidus Temperatur von ungefähr 17000F bis 17100F sowie eine Temperatur bei einer Viskosität von 1000 Poise von 17000F bis 17100F.
6. Glaszusammensetzung nach Anspruch 4, gekennzeichnet, in Gewichtsteilen durch
SiO9 55,2
3,6
CaO 11,7
17,0 9,7 1,4 0,08 0,7 0,4 0,2
Na2 0 B2O 3 ZnO Fe2 °3 MgO SO.
sowie durch eine Temperatur bei einer Viskosität
on 17300F.
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von 1000 Poise von 17300F.
7· Qlaszusammensetzung nach Anspruch 3t gekennzeichnet in Gewichtsteilen durchs,
SiO2 55,2
Al2O3 3,6
CaO 11,8
Na2O 16y5
B2O3 9,7
ZnO 1,4
Fe3O3 0,05
K2O 1,2
MgO 0,3
SO3' 0,2
sowie durch eine Temperatur bei einer Viskosität von 1000 Poise von 17300F.
8· Glaszusammensetzung nach Anspruch 3, gekennzeichnet in Gewichtsteilen durch:
55,0
3,6
11,5 17,8
9,8
1,5
0,13 0,4
0,2
0,1
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SiO 2 Al2 °3 CaO Na2 0 B2O 3 ZnO Fe2 P3 K2O MgO 3
sowie durch eine Temperatur bei 1000 Poise von
9.» Glasziasannnenseitziaißg nach ATSsprucih 3, gekennzeichinet in -Gewichts teil en uwcchz
Si©2 54,5
Ä12°3 3§8
CaO 11,0
Na2O 16,3
B2O3 10,0
ZnO 1,5
Fe2O3 0,05
K2O 2,7
MgO 0,2
SO3 0,1
sowie durch eine Temperatur bei 1000 Poise von 17100F.
909818/10U
DE2847283A 1977-10-31 1978-10-31 Zur Herstellung von feuchtigkeitsfesten Glasfasern nach dem Schleuderblasverfahren geeignetes Glas auf der Basis SiO↓2↓-Al↓2↓O↓3↓-CaO-(MgO)-Na↓2↓O-(K↓2↓O)--B↓2↓O↓3↓-ZnO Expired DE2847283C3 (de)

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