МАТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C03B37/00 

Настоящая патентная заявка касается композиции, включающей стекловолокно, и способа получения стекловолокна, сохраняющего форму изоляционного тела. В частности, данное изобретение касается стекловолокон, связанных тонким покрытием из ионного полимера фосфата алюминия, который превращается в аморфный полимер после нанесения на волокна.

В патенте США N 3899342, принадлежащем Birchall и др. описываются водорастворимые твердые комплексы фосфата алюминия и композиции связующего агента для жаростойких материалов. Данный комплекс получается путем смешивания раствора ортофосфата алюминия, имеющего молярное отношение A1 P, равное 1 1, с анионами карбоновой кислоты или минеральной оксикислоты, и отверждения фосфатного связующего при температуре от 80 до 200^oC и выше. Описываются также способы холодного отверждения, в которых используется отверждающий агент, такой как оксид магния. Получаются литые изделия, в которых жаростойкий материал заключен в матрице. Оксикислоты, такие как лимонная кислота и щавелевая кислота, предлагаются как комплексообразующие агенты с ортофосфатом.

Низкоплотная высокотермостойкая стекловолокнистая изоляция получается согласно описанию патента Японии N 60-209067, Kokai, Suganuma и др. путем пропитки стекловолокнистого иглопрошитого мата суспензией, состоящей из водного раствора алюминия или фосфата магния и одной или нескольких жаростойких композиций, таких как глинозем, каолин, полевой шпат и т.д. Стекловолокно в форме иглопрошитого мата пропитывается суспензией и высушивается при температуре 120^oC в течение примерно одного часа, а затем в течение еще двух часов при 320^oC, в результате чего получается жаростойкое формованное изделие.

Современные стекловолокнистые изоляционные материалы включают нити очень небольшого диаметра, и обычно на них наносится покрытие из органической смолы для различных целей. Прежде всего снижается ломкость стекловолокон в такой степени, что уменьшается количество пыли и осколков нитей при отгрузке и транспортировке. Кроме того, стекловолокнистая изоляция обычно наносится на основу, такую как бумага или алюминий, которая кроме того, что является носителем, имеет еще и изоляционное назначение. Эта изоляция обычно изготавливается определенной толщины, что создает таким образом желаемую степень изоляции. При упаковке и отгрузке изоляция сжимается, сохраняя объем, но при разгрузке в месте практического использования изоляционный материал на основе расширяется, так что изоляционный показатель достигает требуемого значения. Другим назначением покрытия из органической смолы на стекловолокно является обеспечение достаточной гибкости стеклонитей, так чтобы нити в основном возвращались в первоначальной толщине с необходимой для обеспечения заданной степени изоляции после упаковки и распаковки. При достижении указанных выше желаемых результатов органические смолы позволят разрешить проблемы загрязнения окружающей среды, связанные с удалением отходов, и в случае сжигания в конструкции с изоляцией нежелательные дымы могут быть удалены. Органические смолы являются также горючим материалом.

Существует потребность в экологически благоприятных и эффективных покрытиях для стекловолокон, особенно таких, которые выполняют функцию изоляции, где используется основа как носитель. По экологическим причинам желательна подходящая замена органических смол, используемых в изоляционных материалах из стекловолокна.

Краткое описание сущности изобретения.

Согласно настоящему изобретению предусматриваются изделия из нового стекловолокна, способные выполнять функцию изоляции, и способ получения таких изделий. Согласно настоящему изобретению стекловолокна обрабатываются водно-кислотным раствором фосфата алюминия. Этот водный раствор приготавливается путем смешивания Al₂O₃, ортофосфорной кислоты и воды с молярным отношением Al₂O₃/P₂O₅ менее, чем 1 и предпочтительно в пределах от 1 и 2 до 1 и 4, и еще более предпочтительно 1 к 3. Должно быть достаточное количество воды для получения легколетучего раствора. Это количество должно составлять примерно вплоть до 95 вес. Это количество воды составляют как связанная вода, так и свободная вода. В водном растворе образуется ионный полимер.

Обработка заключается в нанесении небольшого количества раствора на поверхность волокон, после чего этот раствор превращается в водонерастворимый аморфный полимер при воздействии тепла и удалении воды. До превращения раствора в аморфное состояние стекловолокна собираются на основе, образуя решетчатую структуру, в которой образуется большое количество точек контакта волокно-волокно. Ввиду того, что данный водный раствор очень текучий, он течет вдоль поверхности волокон и скапливается в точках контакта волокно-волокно в результате поверхностного натяжения. Эта волокнистая решетка затем подвергается термообработке с целью удаления воды, и образуется аморфный полимер.

Установлено, что при таком способе получения волокнистой решетки эта решетка характеризуется упругостью. Согласно данному изобретению для данных стекловолокон предусматривается прекрасный склеивающий агент, который позволяет стекловолокнистому изделию восстанавливать свои форму и размеры после уплотнения. Обычно количество аморфного полимера, необходимое для склейки стекловолокон, находится в пределах примерно от 1% до 5% от общего количества стекловолокна (в вес.).

Полимеризация кислого фосфата осуществляется путем нагревания обработанного волокна, в результате которого вода удаляется из аморфного негигроскопического полимера. Могут использоваться обычно принятые средства для удаления воды из ионного полимера, такие как электрические или газовые муфельные печи, инфракрасные или микроволновые печи.

Фиг. 1 представляет собой диаграмму, показывающую соотношение Al₂O₃, P₂O₅ и воды в растворах, используемых для обработки стекловолокна согласно настоящему изобретению. Заштрихованный участок на фиг. 1 показывает предпочтительный состав ионного полимерного раствора фосфата алюминия, отвечающего настоящему изобретению, который должен наноситься на стекловолокно. Линии A, B, C и D показывают растворы, имеющие молярные отношения A1 P соответственно 1 1, 1 2, 1 3 и 1 4.

Фиг. 2 является значительно увеличенной в размере частью микрофотографии отрезка стекловолокна, который был подвергнут обработке согласно настоящему изобретению. На фиг. 2 показано скопление аморфного полимера на участке пересечения волокон, в силу чего волокна упруго связаны друг с другом.

Подробное описание изобретения.

Водорастворимый ионный полимер фосфата алюминия получается путем смешивания оксида алюминия, например Al₂O₃•3H₂O, с ортофосфорной кислотой и водой в указанном выше молярном отношении. При практическом осуществлении настоящего изобретения оксид алюминия добавляется в смесь воды с фосфорной кислотой, которая была нагрета до температуры выше примерно 100^oC. Получается прозрачный вязкий раствор, который может быть разбавлен водой с образованием раствора, легко наносимого на стекловолокна путем опрыскивания стекловолокон в желаемом участке после формирования нити и предпочтительно до формования в изделие, предназначенного для использования в качестве изоляционного материала. Как будет видно из описанных ниже примеров, вязкость растворов, наносимых в качестве покрытия на волокна, отвечающих настоящему изобретению, может регулироваться количеством используемой воды. Преимуществом такого регулирования является то, что обеспечивается требуемая вязкость для определенных средств, используемых для нанесения на поверхность стекловолокон растворов с целью покрытия этих стекловолокон. Точное время и место нанесения водного раствора не имеют исключительно важного значения.

После нанесения водного раствора на поверхность стекловолокон обработанное волокно подвергается воздействию условий (условия) полимеризации, и при этом растворимый кислый фосфат алюминия превращается в нерастворимый аморфный полимер путем удаления воды.

Как уже отмечалось выше, удаление воды осуществляется с помощью любых подходящих средств, например путем нагревания обработанного волокна. Очень важно регулирование удаления воды, независимо от того, осуществляется ли это путем воздушной конвекции, нагревом в печи, в сушилке или в микроволновой установке, так чтобы при этом получался аморфный полимер. Если степень удаления воды недостаточна, то не происходит желательного фазового превращения, и образующийся остаточный продукт может быть гигроскопичен. Если удаление воды сопровождается чрезмерным выделением тепла и воды, то образуется нежелательный кристаллический фосфат алюминия. В любом из указанных выше случаев желательный аморфный полимер не образуется в достаточных количествах для придания желательных свойств стекловолокнистому изделию.

Было установлено, что желаемый водонерастворимый аморфный полимер получается путем нагревания обработанного стекловолокна до температуры в пределах примерно от 350^oC до 400^oC в течение примерно от 45 до 90 секунд. Соотношение времени и температуры регулируется таким образом, чтобы из раствора удалялось указанное выше количество воды, так чтобы получался желаемый аморфный полимер.

Обработка стекловолокон согласно настоящему изобретению не обязательно влечет за собой полное прикрытие волокна ионным полимером. Однако должно быть достаточное количество раствора в точках пересечения друг с другом очень тонких волокон, чтобы обеспечивалось упругое склеивающее действие аморфного полимера достаточной силы для сохранения формы изделия, в которую оно сформовано, до его нагревания. Иначе говоря, форма изделия восстанавливается после его уплотнения, и достигается первоначальный размер.

Кроме того, в очень незначительных количествах в смесь могут быть введены также и другие неорганические кислоты. Неорганические кислоты могут включать, например, борную кислоту, которая вводится с целью предотвращения высаливания компонентов водного раствора, и они могут быть введены в количествах примерно от 0,06% до 0,5% (вес) в расчете от вводимого количества Al₂O₃/P₂O₅. Как будет указано ниже, согласно предпочтительному аспекту данного изобретения водный раствор обычно приготавливается путем смешивания оксида алюминия (включая различные гидраты) в воде с ортофосфорной кислотой. После этого ввода образуется раствор путем нагрева смеси до температуры в пределах примерно от 105^oC до 120^oC в течение примерно от 30 до 40 минут. Концентрация водного раствора может находиться в широком диапазоне значений и определяется главным образом используемым оборудованием и его применением для стекловолокна. В случае, когда раствор желательным образом распыляется на поверхность стекловолокна, этот раствор может иметь широкий диапазон концентраций, примерно от 5% до 30% (вес), хотя этот диапазон не является предельным согласно данному изобретению, поскольку существуют некоторые другие подходящие средства нанесения раствора на поверхность волокон.2 Описание предпочтительных принципов осуществления изобретения
Нижеследующие примеры иллюстрируют приготовление композиций, используемых в способе данного изобретения. В этих примерах указанные проценты являются весовыми, если не указаны другие значения.

Пример 1
В керамическую емкость объемом 2 литра вводят фосфорную кислоту и дистиллированную воду. Этот раствор нагревается до температуры примерно 80^oC и затем медленно вводится тригидрат оксида алюминия. Смесь перемешивается с одновременным нагревом до температуры в диапазоне от 105^oC до примерно 110^oС до тех пор, пока не получается прозрачный раствор. Основные растворы, полученные указанным образом, разбавляются до концентрации 13,25% путем добавления дистиллированной воды, благодаря чему они становятся менее вязкими до распыления их на поверхности стекловолокна, как будет описано ниже в примере 2. Согласно описанной выше процедуре приготавливаются три основных раствора, указанные ниже. К одному основному раствору добавляется небольшое количество борной кислоты с целью предотвращения образования осадка, вызванного высаливанием. Эти основные растворы содержат нижеследующие ингредиенты (табл. 1).

Пример 2
Измеряют вязкость растворов a, b и c из примера 1. Вводят воду для снижения концентрации раствора с целью установления влияния концентрации на вязкость. В таблице 2 дается содержание ионного полимера фосфата алюминия в каждом испытательном растворе. Измерения осуществляется в вискозиметре Брукфилда модели RVT, результаты измерения даются в таблице 2, где вязкость выражена в сантипуазах.

Пример 3
Получают стандартную серийно выпускаемую стекловолокнистую изоляцию, имеющую основу из комбинации бумага; алюминий, и показатель изоляции R-11, и отделяют ее от ее органического покрытия путем нагревания сегментов размерами 5 дюймов х 4 дюйма (125 мм х 101 мм) в муфельной печи при температуре 450 470^oC в течение от 45 минут до 1 часа. После удаления из печи и охлаждения сегменты взвешивают и затем их равномерно уплотняют по всей верхней поверхности с воздействием груза 50 граммов в течение 5 секунд. Груз удаляют и тотчас же измеряют толщину образца. Слои стекловолокна разрывают и распыляют на них указанные выше растворы так, чтобы получался материал, обеспечивающий возврат этих сегментов к их первоначальному размеру после уплотнения, как будет упомянуто ниже. Сегменты взвешивают сразу же после распыления и затем нагревают в муфельной печи при температуре примерно 400^oC в течение от 45 до 90 секунд. Сегменты снова удаляют из печи и охлаждают до комнатной температуры. Для выявления способности сегментов возвращаться к их первоначальному размеру после уплотнения и снятия нагрузки измеряют толщину каждого сегмента и затем осуществляют равномерное уплотнение сегментов с их верхней поверхности под воздействием груза 887 граммов в течение периода 5 минут. Измеряют толщину уплотненного образца и после удаления груза снова измеряют толщину каждого сегмента с целью определения возврата толщины к первоначальному размеру (в процентах) согласно следующей формуле:
,
где t₀ первоначальная толщина и t_f толщина сегмента после уплотнения и возврата к исходной толщине. В приведенной ниже таблице 2 приводятся данные испытания, в котором указанные выше сегменты взвешиваются и затем обрабатываются раствором ионного полимера фосфата алюминия (указанные выше композиции a-c). Приведенные в таблице 2 аббревиатуры имеют следующие значения:
I первоначальный вес сегмента до его обработки;
T вес обработанного сегмента;
C вес сегмента после нагревания;
T₁ первоначальная толщина сегмента до обработки;
T₂ толщина сегмента при уплотнении после термообработки;
T₃ толщина сегмента после снятия уплотняющей нагрузки.

В таблице 3 приводится значение (в весовых процентах) количества ионного фосфата алюминия, наносимого на сегмент, и процента возврата толщины, полученного расчетным путем, как указано выше.

Данные в приведенной выше таблице 3 показывают способность аморфного полимера фосфата алюминия обеспечивать структуру стекловолокнистой изоляции с возвратом, равным возврату в случае использования органической смолы, выпускаемой в настоящее время промышленностью. Ввиду того, что вязкость раствора ионного фосфатного полимера, отвечающего настоящему изобретению, может регулироваться путем изменения содержания воды, как показано выше в табл. 2, то используя композиции, отвечающие настоящему изобретению, можно достигнуть вязкость используемых ранее растворов органических покрытий. Количество ионного полимера, используемого для обработки стекловолокон, обеспечивающее получения указанного результата, обычно находится в пределах более 1 вес. от веса волокон, причем эффективны также количества, составляющие примерно вплоть до 5 вес. от веса волокон.

Могут использоваться повышенные количества ионного полимера, но они не будут значительно повышать способность к возврату по толщине, поскольку, как показано, более низкие количества эффективны на 98% Кроме указанной выше упругости изоляционных изделий, покрытия, отвечающие настоящему изобретению, способны снизать ломкость вытянутых стекловолокон. Установлено, что обработанные волокна с нанесенными покрытиями практически не образуют пыли при транспортировке. Ввиду того, что описанные здесь покрытия стекловолокон представляют собой неорганический материал, то обеспечивается возможность рецикла срезанных концов стекловолокнистых изделий, образуемых в результате операций формования и профилирования в процессе изготовления изоляционных деталей, содержащих указанные волокна. Кроме того, нагревание волокон, согласно данному изобретению, с образованием аморфного полимера приводит в результате к потере воды, что довольно благоприятно с экологической точки зрения. Конструкции, содержащие изоляцию, обработанную согласно настоящему изобретению, имеют меньшую вероятность выделения нежелательных дымов при высокоинтенсивном нагреве, например, когда эти конструкции подвергаются воздействию огня, в то время как органические смолы, выпускаемые в настоящее время промышленностью, нежелательны ввиду того, что при таких обстоятельствах образуются дымы. Аморфный полимер, получаемый согласно настоящему изобретению, является стойким при температурах вплоть до примерно 1300^oC.

Хотя данное изобретение описывается со ссылкой на специфические примеры, следует иметь в виду, что могут быть различные другие модификации, которые должны быть ясны и легко осуществимы специалистами в данной области, но так, чтобы при этом не выходить за пределы действия и объем данного изобретения.

Сущность изобретения: мат включает стекловолокно, используемое, в частности, для изготовления формованных изоляционных изделий, у которых на поверхности волокна имеется аморфный полимер фосфата алюминия, и этот полимер упруго склеивает стекловолокна друг с другом таким образом, что обеспечивает восстановление формы после деформации волокон, например, в результате сжатия. Описывается также стекловолокна, сохраняющего форму изоляционного тела и способ получения изделий из стекловолокна, в котором стекловолокна контактируют с ионным полимером, который затем дегидратируется с образованием аморфного негигроскопического полимера. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Мат, включающий стекловолокно и нанесенный на его поверхность негигроскопичный нерастворимый в воде аморфный полимер фосфата алюминия, отличающийся тем, что полимер фосфата алюминия имеет молярное отношение Al₂O₃ к P₂O₅, не превышающее 1. 2. Мат по п.1, отличающийся тем, что молярное отношение AI₂O₃ к P₂O₅ составляет 1/4 1/2. 3. Мат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что полимер фосфата алюминия дополнительно содержит 0,06 0,5 мас. неорганической кислоты от массы полимера. 4. Мат по пп.1 3, отличающийся тем, что полимер содержит 1 5 мас. стекловолокна. 5. Мат по пп.1 4, отличающийся тем, что полимер содержит 3 4 мас. стекловолокна. 6. Мат по п.3, отличающийся тем, что в качестве неорганической кислоты он содержит борную кислоту. 7. Способ получения мата путем нанесения на стекловолокно композиции, включающей воднокислотный раствор фосфата алюминия, формования мата и удаления из композиции воды с образованием негигроскопичного, нерастворимого в воде аморфного полимера, отличающийся тем, что наносят композицию с соотношением Al₂O₃ / P₂O₅, не превышающим 1. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при формовании мата стекловолокно наносят на основу, состоящую из бумаги, алюминия или их комбинации. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что удаление воды осуществляют нагреванием волокон в электрической или газовой печи, микроволновой установке или инфракрасным излучением. 10. Способ по п.7, отличающийся тем, что наносят композицию с соотношением AI₂O₃ / P₂O₅ 1/3 1/2. 11. Способ по п.7, отличающийся тем, что наносят композицию с молярным соотношением AI₂O₃ к P₂O₅ к H₂O, представленным заштрихованным участком на фиг.1 описания.