Мінеральна вата та її застосування

Реферат:Об'єктом винаходу є мінеральна вата, скляні волокна якої мають хімічний склад, що, по суті, не містить оксид бору і містить наступні компоненти в наведених далі межах, виражених в масових процентах: SiO 2 - 60-75; Аl2О3 менше 4; Na2O - 17-22; СаО - 5-15; Fe2O3 - менше 2; Р2О5 - менше 3. UA 98470 C2 (12) UA 98470 C2 UA 98470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Даний винахід належить до галузі виробництва мінеральної вати, що має велику швидкість розчинення в фізіологічному середовищі. Винахід, більш переважно, стосується нових композицій скла, придатних для формування скловати для тепло- і/або звукоізоляції або для підкладок для гідропонних культур.Мінеральна вата (скловата або мінеральна вовна) характеризується невпорядкованістю різаних волокон, що відрізняє її від безперервних волокон, призначених в загальному випадку для армування органічних або неорганічних матеріалів (наприклад цементу). Така особлива структура, що обумовлює ізолюючі властивості, може бути одержана різними способами формування волокон, такими, як способи внутрішнього центрифугування (з використанням центрифуг (у вигляді "тарілок"), що обертаються з великою частотою і що мають наскрізні отвори), або зовнішнього центрифугування (за допомогою суцільних валків, що обертаються з великою частотою, на зовнішню поверхню яких подають розплавлене скло), або способи формування гарячим газом або полум'ям.Волокна мінеральної вати у випадку, коли деякі геометричні показники відносно діаметра і/або довжини дотримані, здатні попадати при диханні в організм і, зокрема, в легені, доходячи іноді до легеневих альвеол. Прагнення уникнути будь-якого ризику патології, пов'язаної з можливим накопиченням волокон в організмі, обумовило необхідність стежити за тим, щоб волокна мали низьку "персистентність", тобто могли бути легко і швидко видалені організмом. Хімічний склад волокон являє собою головну характеристику, що впливає на їх здатність швидко видалятися організмом, оскільки він відіграє роль помітну відносно швидкості розчинення волокон в фізіологічному середовищі. Мінеральні волокна, що мають велику швидкість розчинення в фізіологічному середовищі ("біоорозчинні"), вже були розроблені і описані в попередньому рівні техніки.Проте, головна складність полягає в збільшенні швидкості розчинення волокон в фізіологічному середовищі при збереженні при цьому можливості промислового втілення і, зокрема, хорошої прийнятності для переробки у волокна, а також хороших експлуатаційних властивостей кінцевого продукту. Серед властивостей, що впливають на можливість промислового втілення, на першому плані виступають в'язкість і характеристики розсклування (температура ліквідуса і швидкість кристалізації). Найбільш значущими експлуатаційними властивостями є механічна міцність (головним чином, модуль Юнга або модуль пружності і опір розриву), опір високим температурам і вологостійкість або гідролітична стійкість. Останній пункт є особливо критичним і складним, оскільки показники гідролітичної стійкості і біорозчинності з багатьох міркувань суперечливими, оскільки обидва показники стосуються здатності розчинятися в основному у водних середовищах.Композиції скловати традиційно містять оксид бору в кількості приблизно від 4 до 6%. Оксид бору дійсно являє собою елемент, що сприятливо діє на численні властивості мінеральної вати. Зокрема, він збільшує досить значною мірою біорозчинність волокон, дозволяє поліпшити характеристики плавлення скла і формування волокон за рахунок своєї дії по зменшенню в'язкості при високій температурі і температури ліквідуса, а також дозволяє поліпшити теплоізоляційні властивості мінеральної вати за рахунок зменшення випромінюючої складової теплопровідності волокон.Проте, оксид бору не позбавлений недоліків, зокрема, через свою значну леткість і високу вартість. У випадку, коли скло, що переробляється у волокно, плавлять в полум'яній печі, викиди випаровування бору такі, що необхідно передбачати пристрої очищення димових газів. Крім того, було з'ясовано, що в печі, забезпеченій рекуператорами або регенераторами тепла з насадками з керамічних вогнетривких елементів, випаровування бору руйнують такі керамічні елементи, обумовлюючи більш часту заміну.Таким чином, задачею даного винаходу є запропонувати нові композиції скла, які можна плавити в полум'яній печі без необхідності використання пристроїв очищення димових газів і які не зменшують час працездатності рекуператорів або регенераторів тепла, причому згадані композиції є, проте, придатними для формування мінеральної вати, що має велику швидкість розчинення в фізіологічному середовищі і задовільну гідролітичну стійкість, а також хорошу здатність до переробки у волокно.Об'єктом винаходу є мінеральна вата, скляні волокна якої мають хімічний склад зі значно зниженим вмістом оксиду бору і містять наступні компоненти в наведених далі межах, виражених в масових процентах: 1 UA 98470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У смислі даного винаходу під виразом "значно знижений вміст оксиду бору" потрібно розуміти, що композиції можуть містити невеликі кількості оксиду бору тільки як домішки. Мова може йти, зокрема, про домішку, що зумовлюється деякими вихідними матеріалами, такими, як волокнисті відходи. У загальному випадку композиція мінеральної вати за даним винаходом містить менше 0,5% оксиду бору, переважно, менше 0,3% і, більш переважно, містить оксид бору в кількостях, що не виявляються способами аналізу, що традиційно використовуються при виробництві мінеральної вати.Діоксид кремнію (SiO2) являє собою оксид, що створює решітку скла, і відіграє істотну роль відносно її як термічної, так і хімічної стабільності. У рамках наведених раніше меж процентний вміст діоксиду кремнію менший 60% призводить до дуже низької в'язкості, дуже сильної здатності розскловуватися (тобто кристалізуватися) під час стадії формування волокон і зниженої гідролітичної стійкості. Протилежно цьому, дуже високий вміст, що перевищує 75%, обумовлює дуже високу в'язкість і, отже, ускладнює стадії плавлення і формування скляних волокон. Вміст діоксиду кремнію обмежується також тим, що даний оксид є шкідливим відносно біорозчинності. Таким чином, вміст діоксиду кремнію, переважно, більший або дорівнює 62, навіть 63 і навіть 64%, і/або менший або дорівнює 68, навіть 67 і навіть 66 або 65%.Оксид алюмінію (Аl2О3) в даному винаході відіграє особливо важливу роль. Як елемент, що створює решітку, даний оксид відіграє першочергову роль відносно термічної стабільності і механічної міцності. З урахуванням його сприятливого впливу на гідролітичну стійкість і шкідливого впливу на в'язкість скла і біорозчинність його вміст, переважно, менший або дорівнює 3, навіть 2,5 або навіть 2 або 1,5%, і/або більший або дорівнює 0,5%.Сума вмістів діоксиду кремнію і оксиду алюмінію (SiO2+Al2O3), переважно, обмежується для забезпечення хорошої гідролітичної стійкості, низької в'язкості і високої біорозчинності. Таким чином, сума SiO2+Al2O3, переважно, менша або дорівнює 70, навіть 69 і навіть 68 або 67, або також 66%.Оксиди лужних металів, зокрема, оксид натрію (Na2O), відіграють роль модифікатора решітки скла, тобто вони укорінюються в структуру скла, розриваючи деякі ковалентні зв'язки, що виникли між елементами, які створюють решітку. Їх дія в даному винаході є множинною подібно до дії оксиду алюмінію. Оксид натрію має здатність розріджувати і дозволяє, таким чином, зменшувати в'язкість скла, полегшуючи формування, і дуже високі температури формування волокон, які різко зменшують час працездатності пристроїв формування волокон. З даної причини вміст оксиду натрію не повинен бути меншим 17% і, переважно, більший або дорівнює 17,5, навіть 18 або 18,5 і навіть 19%. Проте, він негативно діє на гідролітичну стійкість, тому його вміст повинен бути меншим або дорівнювати 22%, переважно, меншим або дорівнювати 21 і навіть 20%. Одержане скло має, проте, прийнятну гідролітичну стійкість, що є особливо вражаючим і несподіваним відносно дуже високого вмісту оксидів лужних металів, зокрема, оксиду натрію. Оксид калію також може вводитися в композицію мінеральної вати за даним винаходом, переважно, у вигляді домішки, в загальному випадку із вмістом, який менше або дорівнює 2 і навіть 1% маси.Оксиди лужноземельних металів, головним чином СаО і MgO, також відіграють роль модифікаторів решітки скла. Їх присутність сприятливо впливає на характеристики біорозчинності і гідролітичної стійкості (відносно останньої в порівнянні з оксидом натрію). Оксид кальцію (СаО), переважно, дозволяє зменшити в'язкість скла при високій температурі і, таким чином, поліпшити плавлення, але його високий вміст призводить до погіршення стійкості до розсклування. Таким чином, вміст СаО, переважно, більший або дорівнює 6, навіть 7 і навіть 8 або 8,5% і/або менший або дорівнює 13, навіть 12 і навіть 11%. Оксид магнію (MgO) може бути доданий із вмістом, який більше або дорівнює 1 і навіть 2%. З урахуванням шкідливого впливу на розсклування скла вміст MgO, переважно, менший або дорівнює 5, навіть 4 і навіть 3%.Співвідношення R, що визначається відношенням вмісту Na2O до вмісту CaO (R=Na2O/CaO), переважно, більше або дорівнює 2, навіть 2,1 і навіть 2,2. Авторами винаходу на практиці було з'ясовано, що дане співвідношення дуже сильно впливало на температуру ліквідуса, сприяючи або перешкоджаючи кристалізації девітриту в більшій мірі, ніж воластоніту. Таким чином, співвідношення R, яке більше або дорівнює 2, дозволяє одержувати скло з низькою температурою ліквідуса, переважно, меншою 1000°С і навіть меншою 950°С. Отже, таке скло може бути перероблене у волокна при низькій температурі, що зменшує старіння пристроїв формування волокон і енерговитрати.Вміст оксиду заліза (Fe 2O3) обмежується значенням, яке менше або дорівнює 3%, переважно, 2 і навіть 1%, внаслідок його негативного впливу відносно фарбування скла, здатності скла розскловуватися і біорозчинності волокон. Оксид заліза, переважно, присутній тільки у вигляді домішки, в загальному випадку із вмістом, який менше або дорівнює 0,5 і навіть 0,2%.Оксид фосфору (Р 2О5) може бути, переважно, використаний, зокрема, внаслідок його сприятливого впливу на біорозчинність. Проте, його вміст, переважно, обмежується 2 і навіть 1,5%. З урахуванням його вартості і негативного впливу на в'язкість скла за даним винаходом, переважно, не містить оксид 2 UA 98470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фосфору за винятком неминучих слідових кількостей, що надходять з початковими матеріалами.Композиція мінеральної вати за даним винаходом, переважно, є такою, що показник "SiO2+2Al2O3-2P2O5" менший або дорівнює 68%, причому даний показник в цьому випадку виражений в молярних процентах. Переважно, показник "SiO 2+2Al2O3-2P2O5" менший або дорівнює 66%. Дотримання даного показника дійсно дозволяє оптимізувати характеристики біорозчинності волокон.Оксиди лужноземельних металів, такі, як ВаО (оксид барію), SrO (оксид стронцію), і/або лужних металів, такі, як Li2O (оксид літію), можуть бути, за бажанням, включені до складу волокон за даним винаходом. Зокрема, оксид стронцію виявився особливо переважним з метою заміщення SiO2, Na2O і CaO для поліпшення, одночасно, і біорозчинності волокон, і гідролітичної стійкості скла. Таким чином, композиція мінеральної вати за даним винаходом містить, переважно, щонайменше 0,5%, навіть 1 і навіть 2 або 3% SrO, причому вміст SrO, переважно, обмежується з міркувань вартості 6% або меншим значенням, навіть 5% або меншим значенням.Волокна мінеральної вати за даним винаходом можуть містити також інші оксиди, відмінні від згаданих раніше, з масовим вмістом, що не перевищує в загальному випадку 3, навіть 2 і навіть 1%. Серед таких оксидів фігурують домішки, що надходять, як правило, з природними або штучними вихідними матеріалами (наприклад, зі склом, що утилізується, що називається скляним боєм), що використовуються в даній галузі промисловості (серед таких, що найчастіше зустрічаються, фігурують ТіО2, МnО і т.п.). Такі домішки, як ZrO2, також, як правило, надходять за рахунок часткового розчинення в склі хімічних елементів, що надходять з вогнетривких матеріалів, що використовуються в конструкціях печей. Деякі слідові кількості надходять зі сполуками, що використовуються для освітлення скломаси. Зокрема, можна згадати, що дуже часто використовується оксид сірки SO 3. Такі оксиди внаслідок їх низького вмісту не відіграють при будь-яких обставинах якої-небудь особливої функціональної ролі, яка може змінити суть, згідно з якою за рахунок волокон за даним винаходом вирішується поставлена проблема.Мінеральну вату за даним винаходом, переважно, одержують способом внутрішнього центрифугування, тобто з використанням центрифуг (у вигляді "тарілок"), що обертаються з великою частотою і мають наскрізні отвори.З урахуванням обмежень, пов'язаних з даним способом, є переважним, щоб температура ліквідуса скла за даним винаходом, що визначає нижню межу температури, при якій можливе формування скляних волокон, була меншою 1150°С, переважно, меншою 1100, навіть 1050 і навіть 1000 або 950°С. Більш високі температури насправді можуть мати внаслідок неприйнятне обмеження часу працездатності тарілок для формування волокон і навіть вимагати зміни конструкційних матеріалів тарілок, що використовуються. Для одержання волокон хорошої якості і забезпечення надійної роботи обладнання, температурний допуск формування, тобто різниця між температурою, при якій в'язкість скла становить 1000 пуаз, і температурою ліквідуса, переважно, більший або дорівнює 0 і, переважно, більший або дорівнює 10°С, зокрема 25, навіть 50 і навіть 100°С.Скловата за даним винаходом, переважно, має індекс розчинення DGG (міра гідролітичної стійкості), який менше або дорівнює 50 мг/г, переважно, менше або дорівнює 45, навіть 40 і навіть 35 або 30 мг/г. Одержання таких знижених значень є особливо несподіваним з урахуванням високого вмісту Na2O. Об'єктом даного винаходу є також тепло- і/або звукоізоляційні матеріали, що містять мінеральну вату за даним винаходом.Об'єктом даного винаходу є також спосіб виготовлення мінеральної вати за даним винаходом типу "внутрішнього центрифугування", тобто спосіб з використанням центрифуг, що обертаються з великою частотою і що мають наскрізні отвори, при цьому волокна, що одержуються, захоплюються потім газовим струменем.Об'єктом даного винаходу є також використання мінеральної вати за даним винаходом як тепло- і/або звукоізоляційних матеріалів або субстратів гідропонних культур.Переваги, що надаються мінеральною ватою за даним винаходом, можуть бути краще оцінені за допомогою наведених далі прикладів, що ілюструють даний винахід, але не обмежують його.У таблицях 1 і 2 представлені композиції скла за даним винаходом, а також їх властивості. У порівняльному прикладі СІ представлене скло, що містить оксид бору і представляє композиції скловати, що використовуються в промисловості.Склад скла виражений через вміст оксидів в масових процентах. Неминучі домішки, які надходять з вихідними матеріалами, з афінажними добавками або з вогнетривких матеріалів печі, і деякі з яких, проте, не визначаються аналітично, охарактеризовані тільки їх сумарним вмістом. Для фахівців в даній галузі техніки є цілком очевидним, що такі домішки, що мають вміст в загальному випадку менший 1 і навіть 0,5%, в наведених далі прикладах не відіграють якої-небудь функціональної ролі в межах даного винаходу.Для пояснення переваг композицій скла за даним винаходом в таблицях представлені наступні основні характеристики:- температура, що відповідає в'язкості 3 10 пуаз, позначена як "Tlog3" і виражена в градусах Цельсію, що відповідає температурі формування волокон;- температура ліквідуса, позначена як "Tliq" і виражена в градусах 3 UA 98470 C2 5 10 Цельсію;- індекс розчинення "DGG", позначений як "DGG": за даною методикою порошок скла з гранулометричним складом від 360 до 400 мкм занурюють у воду і нагрівають із зворотним холодильником протягом 5 годин. Після швидкого охолоджування суміш фільтрують і визначають кількість сухої речовини, що міститься в фільтраті. Індекс розчинення "DGG" являє собою кількість розчиненого матеріалу в міліграмах в перерахунку на 10 г обробленого скла;швидкість розчинення волокон ("біорозчинність") в нейтральному середовищі, позначена як "kSiO2" і являє собою швидкість розчинення волокон діаметром 10 мкм, залишених на 7 днів в статичному сольовому розчині, забуференому до рН=7,4 при прямому продуванні сумішшю N2/CO2 (90/10) в поєднанні з доданням NaHCO3 (2,7 г/л) в розчин. Крім того, сольовий розчин містить буферний розчин хлориду натрію і цитрату натрію з концентраціями 6,6 і 0,15 г/л відповідно, при цьому співвідношення між поверхнею випробуваного скла і об'ємом -1 2 впливаючого розчину становить 0,5 см . Швидкість розчинення, виражена в нг/см год., являє собою кількість скла, що розчинилася за одиницю часу і була віднесена до одиниці поверхні волокон. 15 4 UA 98470 C2 5 10 Предст авлені приклади показують, що можна одержувати мінеральну вату, волокна якої не містять оксид бору і яка, проте, поєднує хороші показники відносно гідролітичної стійкості і біорозчинності. Гідролітична стійкість мінеральної вати за даним винаходом є, зокрема, вражаюче низькою в порівнянні зі значним збільшенням вмісту оксидів лужних металів. Що стосується біорозчинності, то вона в загальному випадку поліпшується незважаючи на відсутність оксиду бору: дана обставина також є несподіваною, оскільки сильне збільшення біорозчинності супроводжується в загальному випадку зниженням гідролітичної стійкості приблизно в такій же пропорції. Нічого подібного немає у випадку скла за даним винаходом, відносно якого особливий вибір компонентів і їх вмісту дозволяє одержувати збільшену біорозчинність з еквівалентною гідролітичною стійкістю. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 1. Мінеральна вата, скляні волокна якої мають хімічний склад, що, по суті, не містить оксид бору, і містять наступні компоненти в наведених далі межах, мас. %: SiO2 60-75 Аl2О3 менше 4 Na2O 17-22 СаО 5-15 Fe2O3 менше 2 Р2О5 менше 3. 2. Мінеральна вата за п. 1, хімічний склад волокон якої містить додатково наступні компоненти в наведених далі межах, мас. %: MgO 0-5 SrO 0-6. 5 UA 98470 C2 5 10 15 20 3. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій вміст діоксиду кремнію SiO 2 більший або дорівнює 62 мас. %, зокрема 63 або 64 мас. %, і/або менший або дорівнює 68 мас. %, зокрема 67 мас. %, і більш переважно 66 або 65 мас. %.4. Мінеральна вата за будьяким з попередніх пунктів, в якій вміст оксиду алюмінію Аl 2О3 менший або дорівнює 3,0 мас. %, зокрема 2,5 мас. %, більш переважно 2,0 або 1,5 мас. % і/або більший або дорівнює 0,5 мас. %.5. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій сумарний вміст діоксиду кремнію і оксиду алюмінію SіО2+Аl2О3 менший або дорівнює 70 мас. %, зокрема 69 або 68 мас. % і більш переважно 67 або 66 мас. %.6. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій показник "SiO2+2Al2O3-2P2O5" менший або дорівнює 68 %, переважно 66 %, причому даний показник виражений в молярних процентах.7. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій вміст оксиду натрію Na2O більше або дорівнює 17,5 мас. %, зокрема 18,0 або 18,5 мас. % і переважно 19,0 мас. %, і/або менше або дорівнює 22,0 мас. %, переважно 21,0 мас. % і зокрема 20,0 мас. %.8. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій вміст оксиду кальцію СаО більший або дорівнює 6,0 мас. %, зокрема 7,0 або 8,0 мас. % і більш переважно 8,5 мас. %, і/або менший або дорівнює 13,0 мас. %, зокрема 12,0 або 11,0 мас. %.9. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій співвідношення Na 2O/CaO більше або дорівнює 2,0, зокрема 2,1 або 2,2.10. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій вміст оксиду магнію MgO більший або дорівнює 1 мас. %, зокрема 2 мас. %, і/або менший або дорівнює 5 мас. %, зокрема 4 або 3 мас. %.11. Мінеральна вата за будь-яким з попередніх пунктів, в якій вміст оксиду заліза Fe2O3 менший або дорівнює 0,5 мас. %.12. Застосування мінеральної вати за будь-яким з пп. 1-11 як тепло- і/або звукоізоляційного матеріалів або субстратів гідропонних культур. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6