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Glaszusammensetzung, vorzugsweise zur Herstellung von Glasfasern Die
Erfindung bezieht sich auf eine Glaszusammensetzung bzw. einen Glasversatz, der
wegen seiner zahlreichen für diesen Zweck erwünschten Eigenschaften in besonders
vorteilhafter Weise für die Herstellung von Glasfasern geeignet ist.
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Im Vergleich zu Glasformgebungsvorgängen, bei welchen vergleichsweise
große Mengen von geschmolzenem Glas geformt oder gegossen werden, werden bei der
Herstellung von Glasfasern jeweils kleine Anteile der geschmolzenen Masse für sich
behandelt und zu den in dem Volumen einer einzigen feinen Faser vorhandenen außerordentlichen
großen Oberflächenbereich ausgezogen. Deshalb sind für diese Zwecke die physikalischen
Eigenschaften des geschmolzenen Glases von großer Bedeutung.
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Das Glas, aus welchen Fasern hergestellt werden sollen, muß eine geringe
Entglasungsgeschwindigkeit haben. Es ist nicht ungewöhnlich, daß, um die für das
Ausziehen geeignete Viskosität des Glases einzustellen, die Austrittsenden der Speiseröffnungen,
durch welche die zu Fasern auszuziehenden Glasströme fließen, sich auf einer unterhalb
der Entglasungstemperatur des Glases liegenden Temperatur befinden.
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Wenn die Fasern aus den Strömen von geschmolzenem Glas, die aus einem
solchen Speiser ausfließen, geformt werden, so kühlen sie sich im wesentlichen wegen
ihrer großen Oberfläche je Volumeinheit sehr schnell ab und verfestigen sich dementsprechend
schnell. Deshalb kann bei einem Glas mit hoher Entglasungsgeschwindigkeit in diesem
Zeitpunkt eine Entglasung erfolgen und hierdurch die Wirksamkeit des Verfahrens
und die Qualität des Erzeugnisses beeinträchtigt werden.
Um dies
zu vermeiden; kann es notwendig sein,. beieiner Temperatur zu arbeiten, die höher
liegt. als die der zweckmäßigsten Viskosität entsprechende, obwohl durch eine solche
Arbeitsweise zusätzliche technische Probleme entstehen, wie das einer zu niedrigen
Viskosität des Glases, die solche Änderungen der Arbeitsbedingungen nach sich ziehen.
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Demzufolge kann ein Glas von hinreichend niedriger Entglasungsgeschwindigkeit
bei dem geeigneten Verhältnis von Viskosität zu Temperatur zu Fasern ausgezogen
werden, selbst wenn die Temperatur in der Höhe der Entglasungstempetatur des Glases
oder sogar unterhalb derselben liegt.
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Ferner muß das Glas bei leicht erzielbaren Temperaturen eine zweckmäßig
niedrige Viskosität aufweisen. Ein Glas mit verhältnismäßig geringer Viskosität
fließt leicht durch die feinen Austrittsöffnungen eines Speisers und bietet den
ausziehenden Kräften in der Stufe der Faserbildung ein Minimum an Widerstand.
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Ein Glas mit der gewünschten Viskosität bei 'vergleichsweise niedrigen
Temperaturen muß auch eine gegenüber der Temperatur, bei welcher es verarbeitet
wird, niedrige Schmelztemperatur haben. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, so wird'
die Wahrscheinlichkeit der ununterbrochenen Herstellung von Erzeugnissen von geeigneter
Qualität vergrößert. Ein weiterer unmittelbarer Vorteil, der sich hierbei ergibt,
besteht darin, daß es möglich ist, die Verarbeitungstemperatur des Glases entsprechend
niedrig zu halten, hierdurch Zeit für das Schmelzen und Läutern des Gemenges sowie
Brennstoff zu sparen, ferner auch die Wärmeeinwirkungen auf die Arbeiter zu verringern
u. dgl.
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Bei der Glasfaserherstellung ergibt die Verwendung eines Glases von
niedrigem .Schmelzpunkt zusammen mit der erwünschten Viskosität bei niedrigen -Temperaturen
einen weiteren Vorteil. In vielen Fällen gelangen die für die Herstellung der Fasern
verwendeten -Präzisionsvorrichtungen, wie z. B: die Speisen in unmittelbaren Kontakt
mit dem geschmolzenen Glas. Die stark korrodierenden Eigenschaften des geschmolzenen
Glases in chemischer und physikalischer Hinsicht sind allgemein bekannt. Sie steigern
sich sehr schnell bei hohen Arbeitstemperaturen. Es. sind ungünstigerweise nur wenige
Werkstoffe vorhanden, welche gleichzeitig den Einflüssen solcher Temperaturen sowie
des'geschmolzenen Glases widerstehen und die deshalb für die Herstellung solcher
Vorrichtungen in Betracht kommen. Der Anwendung von Platin in. umfangreicherem Maße
für diesen Zweck -stehen die außerordentlich hohen Kosten desselben und .die Schwierigkeiten
seiner Beschaffung entgegen.
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Bei einem Glas mit einer gegenüber der von üblichen Gläsern wesentlich
niedrigeren Verarbeitungstemperatur wird demgegenüber die Intensität der Korrosionsangriffe
entsprechend verringert. Für die Herstellung von Vorrichtungen, mittels deren solche
Gläser verarbeitet werden, können deshalb- Nichtedelmetalle, welche diesen Beanspruchungen
Widerstand leisten, oder auch legierte Edelmetalle verwendet werden, wodurch die
Abhängigkeit des ganzen Fabrikationszweiges von der Erhältlichkeit von Platin wesentlich
verringert wird. Das zur Herstellung von Faserre verwendete Glas muß ferner einen
verhältnismäßig weiten Verarbeitungsbereich haben. Unter diesem Begriff ist der
Temperaturbereich zu verstehen, innerhalb dessen die Eigenschaften des Glases, wie
seine Viskosität, auf gewünschten Werten liegen und sich innerhalb dieses Bereichs
nicht schnell ändern. -Ein Glas mit einem solchen weiten Verarbeitungsbereich erfordert
nicht eine so sorgfältige Kontrolle des Fabrikationsvorganges wie andere Gläser
und seine Verarbeitung verläuft viel glatter, begleitet von Vorteilen hinsichtlich
der Qualität der Erzeugnisse u. dgl.
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Um am besten zur Herstellung von Fasern geeignet zu sein, soll das
Glas ferner eine hohe Schmelzgeschwindigkeit besitzen und Fasern von hoher Festigkeit,
Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von Wasser und Säuren, guten elektrischen
Widerstandswerten und Widerstandsfestigkeit gegen Schleifbeanspruchungen u. dgl.
ergeben. -Wenn auch bekannte Gläser eine oder auch mehrere der vorstehend aufgezählten
erwünschten Eigenschaften besitzen, ist bisher kein solches bekanntgeworden, welches
gleichzeitig sämtliche dieser Eigenschaften in erwünschtem Maße aufweist.
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Deshalb besteht der Hauptzweck der Erfindung in der Schaffung einer
Glaszusammensetzung, die sämtliche erwünschten Eigenschaften besitzt, nämlich einer
Zusammensetzung mit einer niedrigen Entglasungsgeschwindigkeit, der geeigneten Viskosität
bei niedriger Temperatur, niedriger Schmelztemperatur, einem weiten Verarbeitungsbereich
und anderen Eigenschaften,, durch welche die Herstellung bzw: die Vetarbeitung von'
geschmolzenen Kieselsäurestoffen, insbesondere im Fall der Herstellung von Kieselsäurefasern
erleichtert und verbessert wird und Erzeugnisse von erwünschten Eigenschaften, wie
hoher Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von Wasser und Säuren, erhalten werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, die lediglich beispielsweise Glaszusammensetzungen nach dieser erläutert,
ohne daß aber etwa die Erfindung auf die beschriebenen Zusammensetzungen beschränkt
sein soll.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Glaszusammensetzung, die grundsätzlich
die folgenden Bestandteile in den in Gewichtsprozenten angegebenen anteiligen Mengen
enthält: ,.
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S'02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5o bis 62 0/0 Ti02.......................
5 bis 25 0/ 0 B2 03 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bis zu I2
"/0 Na20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . zo bis 2o 0/0. Bessere Gläser,
welche ,in noch vollkommenerer Weise dem Zweck der Erfindung entsprechen, werden
erhalten, wenn statt eines Teils des Titanoxyds Zirkonoxyd verwendet wird. In diesem
Fall kann die Titanoxyd-Zirkonoxyd-Gruppe ebenfalls 5 bis 25 0/0 des gesamten Versatzes
ausmachen. Wenn jedoch der Zirkonoxydgehalt höher ist als 16 0/0 des ganzen Versatzes,
so ergeben. sich Gläser mit unerwünschter Viskosität.
Es hat sich
ferner als zweckmäßig erwiesen, dem Titanoxydgehalt in der Titanoxyd-Zirkonoxyd-Gruppierung
unterhalb von 16 % zu halten, obwohl dies in diesem Fall nicht so wichtig ist wie
ini Fall von Zirkonoxyd.
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Um dem Zweck der Erfindung in vollstem Maße zu genügen, ist es erwünscht,
noch zwei weitere Bestandteile in im wesentlichen folgenden prozentualen Gewichtsmengen
zuzusetzen. .
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A1203. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bis zu io % F . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... bis zu 8 %. Die Anwesenheit von Tonerde
setzt die Entglasungstemperatur herab, während durch die von Fluor die Schmelzgeschwindigkeit
des Gemenges gesteigert wird, ohne daß die Haltbarkeitseigenschaften beeinträchtigt
werden, und verringert ferner die Viskosität. Es kann sowohl jeder dieser Stoffe
für sich ohne den anderen der Grundzusammensetzung zugesetzt werden wie, und zwar
vorzugsweise, beide Stoffe gleichzeitig.
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Zum Beispiel ergeben sich Gläser von zweckmäßigsten Eigenschaften,
in denen alle genannten Bestandteile vorhanden sind, durch Auswahl aus dem folgenden
Bereich-von Bestandteilen des Versatzes in Gewichtsprozenten
Si 02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5o bis 62
0/0 |
T'0 |
Zr02} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 bis 25 0/0 |
B203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 bis 12 0/p |
Na20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . io bis 2o 0/0 |
A1203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i bis io
0/0 |
F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 bis
8 0/0, |
wobei der Anteil des Zirkonoxyds nicht höher liegt als 16 0/0.
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Der erwünschte Bereich der Bestandteile und die vorzugsweise Glaszusammensetzung
gemäß der Erfindung sind in Gewichtsprozenten:
Erwünschter Bereich Vorzugsweise |
Zusammensetzung |
S'02 55 bis 6o0/, 57,80/0 |
T102 4 bis 12 0/0 7,711/0 |
Zr 02 1 bis 70/0 3,9% . |
B203 5 bis - 80/, 7,70/0 |
Na20 ii bis 150/, 14,5% |
A1203 3 bis 5% 4,9% |
F 3 bis 5% 3,5% |
Zusammensetzungen innerhalb des erwünschten Bereichs gemäß der Erfindung haben für
technische Herstellungszwecke günstigere Viskositäten, und die aus ihnen hergestellten
Erzeugnisse weisen eine bessere Haltbarkeit, beispielsweise gegen Wasser- und Säureangriffe
auf.
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Die vorzugsweise Zusammensetzung stellt eine solche dar, die so weit,
als dies praktisch möglich ist, dem Bestwert hinsichtlich eines gegenseitigen Ausgleichs
der erwünschten Eigenschaften, die auf jeden der Bestandteile zurückzuführen sind,
angenähert ist.
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Hinsichtlich der oben angegebenen Bereiche der zuzusetzenden Mengen
ist zu bemerken, daß bei Zu-Satz von mehr Kieselsäure die Viskosität des Glases
größer wird und seine Verarbeitung schwieriger macht. Andererseits werden im Fall
eines geringeren Zusatzes hiervon als der angegebenen Mindestmenge die Haltbarkeitseigenschaften
ungünstig beeinflußt.
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Wenn weniger als etwa 5 % von Titanoxyd, falls dieses allein verwendet
wird, oder von Titanoxyd und Zirkonoxyd, wenn diese zusammen verwendet werden, vorhanden
ist, so -werden die chemische Haltbarkeit und/oder die Widerstandsfähigkeit des
Glases gegen Entglasung ungünstig beeinflußt. Wenn der Gehalt an Titanoxyd für sich.
oder der der Titanoxyd-Zirkonoxyd-Gruppierung über 25 % ansteigt, so tritt eine
allgemein wachsende Herabsetzung der erwünschten Eigenschaften ein.
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Eine Erhöhung des Gehalts an Boroxyd und Natriumoxyd über die angegebenen
Höchstmengen hinaus ergibt eine Verringerung der Haltbarkeit gegenüber den Angriffen
von Wasser und Säuren. Wenn der Natriumoxydgehalt niedriger ist als io 0/0, so wird
die Viskosität des Glases erhöht. Ein Gehalt von mehr als io % an Tonerde erhöht
die Schmelztemperatur in unerwünschtem Maße.
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Wie bereits bemerkt, wird durch die Gegenwart von Fluor die Schmelzgeschwindigkeit
vergrößert und die Viskosität des Glases verringert. Jedoch scheint eine anteilige
Menge an Fluor, die größer ist als etwa 8 0/0, die Vorteile nicht zu steigern, sondern
ruft statt dessen eine Gefahr für- die Gesundheit der Arbeiter durch die Dämpfe
und flüchtigen Bestandteile, die aus der Oberfläche des geschmolzenen Glases ansteigen,
hervor.
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Praktisch kann Fluor dem Gemenge in chemischer Verbindung mit einem
oder mehreren der Elemente, die auch in üblichem Glas vorhanden sind, zugesetzt
werden, beispielsweise in Form von Natrium-Aluminium-Fluorid (Kryolith), Natrium-Silicium-Fluorid,
Natrium-Fluorid, Aluminium-Fluorid u. dgl.
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Das Glas gemäß der Erfindung ist sehr widerstandsfähig gegen Entglasung.
In Mustern eines typischen Glases innerhalb des angegebenen Bereichs von Zusammensetzungen
mit einer Schmelztemperatur von 875°, die 6 Stunden lang auf Temperaturen von zwischen
7oo und goo° gehalten werden, wurden keinerlei Kristalle gefunden.
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Ferner besitzt das Glas bei einer gegebenen Temperatur, verglichen
mit anderen handelsüblichen Gläsern, eine vergleichsweise niedrige Viskosität. In
einem Fall entspricht die Viskosität dieses Glases der eines solchen, das bisher
zwecks Herstellung von Fasern bei einer um 14o° niedrigeren Temperatur verwendet
wurde.
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Diese geringere Viskosität des Glases ermöglicht eine erhebliche Steigerung
der Fasererzeugung. Die Schmelztemperatur der vorzugsweisen Zusammensetzung liegt
wesentlich unterhalb der von üblichen Gläsern, nämlich beispielsweise bei etwa goo°
gegenüber iioo bis ii5o°.
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Der Verarbeitungsbereich des neuen Glases liegt in der Größenordnung
von ioo°. Insbesondere wenn das Glas der neuen Zusammensetzung bei dem Verfahren
zur Herstellung von Glasfasern mittels eines Lichtbogens zum Ausziehen des Glases
verwendet wird,
ermöglichen es diese Eigenschaften, da13 die Fasern
während ihres Ausziehens, trotzdem sie sehr schnell erhitzt 'werden; stabil bleiben.
Ein kleiner Schmelzofen mit einer Schmelzzone von lediglich 15 cm Breite und r7,5
cm Länge kann stündlich 8,6 Kilo des neuen Glases bei einer Verschmelztemperatur
.von =46o° verarbeiten. Die physikalischen Eigenschäften des Glases, wie seine Widerstandsfähigkeit
gegen den Angriff von- Wasser und Säuren, geeignete Festigkeit u. dgl. sind ebenso
gut wie die von anderen Gläsern und in gewissen Fällen sogar noch besser.