無機(jī)纖維的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. 119(e)要求于1013年3月15日提交美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第 61/792, 925號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請(qǐng)通過引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 提供一種可用作為熱絕緣材料、電絕緣材料或隔音材料的耐高溫?zé)o機(jī)纖維，并且 其具有1400°C以上的使用溫度。所述耐高溫?zé)o機(jī)纖維是容易制備的，顯示了在暴露于所 述使用溫度之后的低收縮性，保留了在暴露于所述使用溫度之后的良好機(jī)械強(qiáng)度，以及可 溶于生理性液體。
[0003] 背景 所述絕緣材料工業(yè)已確定希望在熱絕緣、電絕緣和隔聲應(yīng)用中采用纖維，其在生理性 液體中是非持久性的，也就是說纖維組合物在生理性液體中顯示了低的生物持久性或高溶 解度。盡管已提出了候選材料，然而這些材料的使用溫度界限并非足夠高至適應(yīng)多種采用 耐高溫纖維的所述應(yīng)用。
[0004] 已推薦了在材料的合成玻璃態(tài)纖維家族中的多種組合物，其在生理介質(zhì)中是非持 久性的或可分解的。
[0005] 在預(yù)期的暴露溫度下以及在延長(zhǎng)的或連續(xù)暴露至所述預(yù)期的使用溫度之后所述 耐高溫纖維還應(yīng)表現(xiàn)出最小化的線性收縮，以向被絕緣的所述制品提供有效的熱防護(hù)。
[0006] 除了由在絕緣材料中使用的纖維中重要的收縮特性表征的耐熱性以外，還要求所 述纖維在暴露于所述使用溫度或工作溫度期間或之后具有機(jī)械強(qiáng)度特性，這將允許所述纖 維在使用時(shí)保持其結(jié)構(gòu)完整性和絕緣特性。
[0007] 纖維的機(jī)械完整性的一個(gè)特性是其在使用之后的脆性。纖維越脆，也就是說其越 容易被壓碎或破碎成粉末，其具有越低的機(jī)械完整性。通常，具有耐高溫性和在生理性液體 中非持久性的無機(jī)纖維還呈現(xiàn)高程度的使用后脆性。這導(dǎo)致纖維在暴露于所述工作溫度以 能提供實(shí)現(xiàn)其絕緣目的所必需的結(jié)構(gòu)之后缺少?gòu)?qiáng)度或機(jī)械完整性。纖維機(jī)械完整性的其它 量度包括壓縮強(qiáng)度和壓縮復(fù)原。
[0008] 因此，期望生產(chǎn)一種改善的無機(jī)纖維組合物，其可從期望的多成分的可纖維化熔 融物容易地制備，其在暴露于1400°C或更高的工作溫度期間和之后表現(xiàn)出低收縮，其在暴 露于預(yù)期的使用溫度之后表現(xiàn)出低脆性，以及其在暴露于1400°C或更高的使用溫度之后保 持機(jī)械完整性。
[0009] 根據(jù)一些實(shí)施方式，提供一種耐高溫?zé)o機(jī)纖維，其在暴露于1400°C或更高的使用 溫度時(shí)表現(xiàn)出10%或更小的線性收縮，以及其在暴露于使用溫度之后保持機(jī)械完整性，以 及其在生理性液體中是非持久性的。
[0010] 根據(jù)某些實(shí)施方式，所述耐高溫?zé)o機(jī)纖維在暴露于1400°C或更高的使用溫度時(shí)表 現(xiàn)出5%或更小的線性收縮，在暴露于所述使用溫度之后保持機(jī)械完整性，以及在生理性液 體中是非持久性的 根據(jù)某些實(shí)施方式，所述耐高溫?zé)o機(jī)纖維在暴露于1400°C或以上的使用溫度時(shí)表現(xiàn)出 4%或更小的線性收縮，在暴露于所述使用溫度之后保持機(jī)械完整性，以及在生理性液體中 是非持久性的。
[0011] 所述無機(jī)纖維包括約65至約86wt%的二氧化娃、約14至約35wt%的氧化鎂和預(yù)定 的氧化鐵添加劑的纖維化產(chǎn)物，其中所述無機(jī)纖維在1400°C表現(xiàn)出10%或更小的收縮率。
[0012] 還提供一種制備耐高溫?zé)o機(jī)纖維的方法，所述纖維在暴露于1400°c或更高的使用 溫度時(shí)表現(xiàn)出10%或更小的線性收縮率，在暴露至所述使用溫度之后保持機(jī)械完整性，以 及在生理性液體中是非持久性的。
[0013] 根據(jù)某些實(shí)施方式，所述方法包括制備一種耐高溫?zé)o機(jī)纖維，其在暴露于1400°C 或更高的使用溫度時(shí)表現(xiàn)出5%或更小的線性收縮率，其在暴露于所述使用溫度之后保持 機(jī)械完整性，以及其在生理性液體中是非持久性的。
[0014] 根據(jù)某些實(shí)施方式，所述方法包括制備一種耐高溫?zé)o機(jī)纖維，其在暴露于1400°C 或更高的使用溫度時(shí)表現(xiàn)出4%或更小的線性收縮率，其在暴露于所述使用溫度之后保持 機(jī)械完整性，以及其在生理性液體中是非持久性的。
[0015] 根據(jù)某些示例性實(shí)施方式，所述用于制備一種耐高溫?zé)o機(jī)纖維的方法包括形成具 有包括約65wt%_約86wt%的二氧化娃、約14wt%_約35wt%的氧化鎂和包含氧化鐵的材料 的成分的熔融物；以及從該熔融物產(chǎn)生纖維，所述耐高溫?zé)o機(jī)纖維具有1400°C或更高的使 用溫度，其在暴露于所述使用溫度之后保持機(jī)械完整性，以及其在生理性液體中是非持久 性的。
[0016] 還提供一種用由多根所述無機(jī)纖維制成的纖維絕緣材料使制品絕緣的方法。所述 方法包括將包括多根所述無機(jī)纖維的熱絕緣材料設(shè)置在待熱絕緣的制品之上、之中、附近 或圍繞所述制品設(shè)置，以及將所述待熱絕緣的制品暴露至1400°c或更高的溫度。
[0017] 根據(jù)某些示例性實(shí)施方式，所述熱絕緣制品的方法包括將包含多根無機(jī)纖維的熱 絕緣材料設(shè)置在所述制品之上、之中、附近或圍繞所述制品設(shè)置，所述無機(jī)纖維包括包含 70wt%或更多的二氧化硅、氧化鎂以及大于0-10wt%的氧化鐵的預(yù)定的添加劑的成分的熔 融物的纖維化產(chǎn)物，其中所述纖維在1400°C表現(xiàn)出10%或更小的收縮率。
[0018] 根據(jù)某些示例性實(shí)施方式，所述熱絕緣制品的方法包括將包含多根無機(jī)纖維的熱 絕緣材料設(shè)置在所述制品之上、之中、附近或圍繞所述制品設(shè)置，所述無機(jī)纖維包括包含 70wt%或更多的二氧化硅、氧化鎂以及大于0至10wt%的氧化鐵的預(yù)定的添加劑的成分的熔 融物的纖維化產(chǎn)物，其中所述纖維在1400°C表現(xiàn)出10%或更小的收縮率。
[0019] 根據(jù)某些示例性實(shí)施方式，所述熱絕緣制品的方法包括將包含多根無機(jī)纖維的熱 絕緣材料設(shè)置在所述制品之上、之中、附近或圍繞所述制品設(shè)置，所述無機(jī)纖維包括包含 70wt%或更多的二氧化硅、氧化鎂以及大于0至10wt%的氧化鐵的成分的熔融物的纖維化產(chǎn) 物，其中所述無機(jī)纖維在1400°C表現(xiàn)出5%或更小的收縮率。
[0020] 還提供一種包含無機(jī)纖維的制品，所述制品包括多根如上所述的無機(jī)纖維，所述 制品的形式為散纖維（bulkfiber)、毯子、針刺毯（needledblankets)、紙、毯、鑄造模型 (castshape)、真空鑄型或復(fù)合材料。
[0021] 圖1是市售硅酸鎂纖維和包含氧化鐵的硅酸鎂纖維的熔融物化學(xué)品的粘度-溫度 曲線。
[0022] 圖2是表示包含至少70wt%的二氧化硅和包括氧化鐵添加劑的硅酸鎂纖維在 1400°C的線性收縮的圖。
[0023] 圖3是表示包含至少70wt%的二氧化硅和包括氧化鐵添加劑的硅酸鎂纖維在 1400°C的作為纖維直徑函數(shù)的線性收縮率的圖。
[0024] 提供一種無機(jī)纖維，其用作熱絕緣、電絕緣和隔聲材料。無機(jī)纖維具有1260°C或更 高的連續(xù)工作或使用溫度。根據(jù)其它實(shí)施方式，無機(jī)纖維具有1400°C或更高的連續(xù)工作或 使用溫度，同時(shí)在某些實(shí)施方式中在1400°C仍表現(xiàn)出10%或更小的線性收縮率，在某些實(shí) 施方式中在1400°C表現(xiàn)出5%或更小的線性收縮率，或在某些實(shí)施方式中在1400°C表現(xiàn)出 4%或更小的線性收縮率，如由在下文中描述的線性收縮率測(cè)試方法所測(cè)定的。
[0025] 根據(jù)某些示例性實(shí)施方式，無機(jī)纖維在1260°C表現(xiàn)出3%或更低的線性收縮率，以 及在1400°C表現(xiàn)出4%或更小的線性收縮率。
[0026] 為了玻璃狀組合物成為用于制備滿意的耐高溫纖維產(chǎn)物的可行候選物，待制備的 所述纖維必須是能從多成分的熔融物制備得到的，在生理性液體中是充分溶解的，以及在 暴露于所述高工作溫度期間和之后能經(jīng)受高溫并具有最小的收縮率以及最小的機(jī)械完整 性損失。
[0027] 本發(fā)明的無機(jī)纖維在生理性液體中是非持久性的。通過在生理性液體中"非持久 性"，意味著所述無機(jī)纖維在體外試驗(yàn)期間至少部分地溶解于諸如模擬肺液之類的所述液 體。
[0028] 通過測(cè)定在模擬人類肺部中發(fā)現(xiàn)的溫度和化學(xué)條件的條件下從所述纖維損失質(zhì) 量的速率（ng/cm2-hr)，可測(cè)試持久性。該試驗(yàn)由使約0.lg的經(jīng)除污點(diǎn)的纖維暴露于模擬 的肺部液體（SLF) 6小時(shí)組成。該整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)保持在37°C以模擬人體溫度。
[0029] 在使所述SLF暴露于所述纖維之后，收集它并使用電感耦合等離子體光譜法分析 玻璃組分。也測(cè)定"空白"SLF樣品并用于校正存在于所述SLF中的元素。只要獲得該數(shù) 據(jù)，就可能計(jì)算在所述研究的時(shí)間間隔內(nèi)纖維損失質(zhì)量的速率。在模擬的肺部液體中，本申 請(qǐng)纖維相比于通常的耐火陶瓷纖維具有顯著更低的持久性。
[0030] "粘度"是指玻璃狀熔融物阻抗流動(dòng)或剪切應(yīng)力的能力。在確定是否可能纖維化給 定的玻璃狀組合物中關(guān)鍵的是粘度-溫度關(guān)系。最佳的粘度曲線在纖維化溫度具有低的粘 度（5-50泊），并且隨著溫度降低而逐漸增加。如果所述熔融物在纖維化溫度下不是足夠 粘稠（即太稀)，結(jié)果是短的細(xì)的纖維，以及高比例的未纖維化的材料(渣球（shot))。如果所 述熔融物在纖維化溫度下是過于粘稠，得到的纖維將是極其粗的(高直徑）和短的。
[0031] 粘度取決于熔融物化學(xué)，其也受到作為粘度調(diào)節(jié)劑的元素或化合物的影響。粘度 調(diào)節(jié)劑允許纖維從所述纖維熔融物噴射或紡絲而成。然而，希望的是這樣的粘度調(diào)節(jié)劑的 種類或含量不會(huì)對(duì)所述噴射或紡絲而成的纖維的溶解度、抗縮性或機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影 響。
[0032] 檢測(cè)是否確定的組合物的纖維可在可接受品質(zhì)水平容易地被制造的方法是確定 所述實(shí)驗(yàn)化學(xué)品的粘度曲線是否匹配可容易纖維化的已知產(chǎn)物的粘度曲線?？稍谡扯扔?jì)上 測(cè)定粘度-溫度分布，其能在升高的溫度下操作。此外，可通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)法，分析檢驗(yàn)制備 的纖維的性質(zhì)（指數(shù)、直徑、長(zhǎng)度)，推導(dǎo)得到適當(dāng)?shù)恼扯确植?。玻璃狀組合物的粘度對(duì)比溫 度曲線的形狀表示容易，藉此熔融物將被纖維化，從而表示得到的纖維的質(zhì)量(影響例如纖 維的渣球含量（shotcontent)、纖維直徑以及纖維長(zhǎng)度)。玻璃在高溫度下通常具有低粘 度。隨著溫度降低，粘度增加。在給定溫度下粘度的值將作為所述組成的函數(shù)而發(fā)生變化， 所述粘度對(duì)比溫度曲線的整體陡度也會(huì)發(fā)生變化。
[0033]無機(jī)纖維的線性收縮率是在高溫度下纖維尺寸穩(wěn)定性的良好度量手段，或者是在 特定連續(xù)工作或使用溫度下其性能的良好度量手段。纖維的收縮率的檢測(cè)可通過將它們形 成墊子并同時(shí)針刺所述墊子進(jìn)入毯子，所述毯子的密度為每立方英尺約8鎊，厚度為約1英 寸。此類墊片被切割成3英寸X5英寸的片（pieces)，并將鉑針插入所述材料的表面。然 后小心測(cè)量并記錄這些針的間隔距離。隨后將所述墊片放入熔爐，升高溫度并在該溫度保 持一段固定的時(shí)間。加熱之后，再次測(cè)量所述針間距，以測(cè)定所述墊片已經(jīng)歷的線性收縮。 [0034]在一個(gè)這樣的試驗(yàn)中，小心測(cè)量所述纖維片的長(zhǎng)度和寬度，并將所述墊片放入熔 爐中，升溫至1400°C，保持24、168或672小時(shí)。冷卻后，測(cè)量橫向尺寸，并通過比較"之前" 和"之后"的測(cè)量來測(cè)定所述線性收縮率。如果如果所述纖維可以毯子形式獲得，可直接在 所述毯子上進(jìn)行測(cè)量，而無需形成墊片。
[0035]由于所述纖維必須在任何應(yīng)用中支持其自身重量以及由于使空氣或氣體移動(dòng)而 必須能耐磨損，因此機(jī)械完整性也是重要的性質(zhì)。纖維完整性和機(jī)械強(qiáng)度的指示通過視覺 和觸覺觀察、以及在暴露于工作溫度之后的纖維的這些性質(zhì)的機(jī)械測(cè)定來提供。所述纖維 在暴露至所述使用溫度之后保持其完整性的能力還可通過測(cè)試壓縮強(qiáng)度和壓縮復(fù)原來在 物理上測(cè)定。這些試驗(yàn)分別測(cè)定如何可容易地使所述墊片變形以及所述墊片在50%的壓縮 之后表現(xiàn)出的回彈(或壓縮復(fù)原)的量。視覺和觸覺觀察表明本申請(qǐng)的無機(jī)纖維在暴露于至 少1400°C的使用溫度之后保持完整并維持其形狀。
[0036]所述低收縮率、耐高溫?zé)o機(jī)纖維包括包含作為主要組分的氧化鎂和二氧化硅的熔 融物的纖維化產(chǎn)物。通過標(biāo)準(zhǔn)玻璃和陶瓷纖維制造方法制備所述非持久性無機(jī)纖維。原材 料是，例如二氧化硅，任意合適的氧化鎂源，例如頑火輝石、鎂橄欖石、菱苦土、菱鎂礦、煅燒 菱鎂礦、鋯酸鎂、方鎂石、塊滑石或滑石。如果在所述纖維熔融物中包含氧化鋯，則將諸如斜 鋯石、鋯酸鎂、鋯石或氧化鋯之類的任意適當(dāng)?shù)难趸喸匆牒线m的熔爐，在其內(nèi)它們被熔 融以及使用纖維化噴嘴以分批或連續(xù)模式噴射或紡絲。用于制備所述纖維的攜帶所述氧化 鐵的原材料組分可以是橄欖石。