Состав минеральной ваты Российский патент 2004 года по МПК C03C13/06 C03C13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области искусственной минеральной ваты. В особенности оно направлено на получение минеральной ваты, предназначенной для изготовления тепло- и/или звукоизолирующих материалов или субстратов для выращивания растений без почвы. В особенности оно касается минеральной ваты типа стекловаты.

Уровень техники

Этот тип минеральной ваты обычно подвергают волокнообразованию при помощи процессов так называемого "внутреннего" центрифугирования, т.е. процессов, в которых используются центрифуги, вращающиеся с высокой скоростью и снабженные отверстиями. Фактически они хорошо подходят для процесса волокнообразования минеральной ваты типа стекловаты, в основном имеющей состав с относительно высоким уровнем содержания оксидов щелочных металлов и имеющей более низкую температуру перехода в жидкое состояние и более высокую вязкость при температуре волокнообразования, чем асбестовая или базальтовая вата. Процесс такого типа описан, в частности, в патентах ЕР 0189354 и ЕР 0519797, DЕ 29709025 U.

К известным критериям, таким как промышленная и экономическая осуществимость и уровень качества, в последние годы прибавился критерий способности минеральной ваты к биологическому разложению, а именно ее способности быстро растворяться в физиологической среде, для предотвращения любой потенциальной опасности заболевания, связанной с возможным накоплением в организме тончайших волокон при вдыхании.

Сущность изобретения

Таким образом, задачей изобретения является улучшение химического состава минеральной ваты, особенно типа стекловаты, причем это улучшение особенно направлено на повышение ее способности к биологическому разложению и/или на приведение ее способности к биологическому разложению в соответствие со способностью к волокнообразованию при помощи внутреннего центрифугирования (не исключая при этом других способов волокнообразования).

Объектом изобретения является минеральная вата, способная растворяться в физиологической среде, которая включает нижеследующие компоненты с указанием их количества в мас.%:

SiO₂ 38-52, предпочтительно по крайней мере 40, особенно 41-48 или 45-50

Аl₂О₃ 16-23, предпочтительно 17-21 или 17-20

RO (СаО и/или МgО) 4-15, предпочтительно 5-12 или 5-11

R₂O (Na₂O и/или К₂О) 16-25, предпочтительно 17-22 или 17-20

В₂О₃ 0-10, особенно по крайней мере 1, предпочтительно 3-9 или 4-10

Р₂O₅ 0-3, предпочтительно 0-1,5, особенно 0 или больше, чем 0 и не более чем 0,5

Fe₂О₃ (общее количество железа) 0-3, предпочтительно 0-1,5, особенно приблизительно от 0,01 до 1

TiO₂ 0-2

(Необходимо учитывать, что в дальнейшем в тексте при указании процентного содержания компонента в композиции следует подразумевать массовый процент).

Выбор такого состава позволил получить целый ряд преимуществ, особенно путем варьирования многих сложных функций, которые выполняет ряд его специфических компонентов.

Таким образом, рассматривается состав минеральной ваты типа стекловаты, в котором содержится большее количество оксидов щелочных металлов (R₂O), в основном в форме Na₂О и/или К₂O, чем количество оксидов щелочно-земельных металлов (RO), в основном в форме СаО и/или МgО. Количество оксида железа (значение рассчитано по оксиду, представляющему собой Fe₂O₃, но относится, по общему правилу, к общему количеству железа) очень небольшое или даже может быть равно 0; с другой стороны, в состав входит значительное количество оксида бора.

Вязкость такого состава при волокнообразовании подходит для внутреннего центрифугирования.

Что касается способности к биологическому разложению, то уже известно, что некоторые соединения, такие как P₂O₅, могут значительно улучшить это свойство минеральной ваты, особенно типа стекловаты, тогда как считается, что другие оксиды, такие как оксид алюминия, наоборот, могут вызывать снижение этой способности, по крайней мере, при нейтральном рН. В качестве ссылки можно привести, например, патент ЕР 412878. Однако введение в состав значительных количеств Р₂O₅ (или, например, исключение из состава оксида алюминия) в рамках настоящего изобретения оказалось не самым разумным подходом. Причиной этому могли послужить такие другие обстоятельства, как, например, соображения экономического (Р₂О₅ получают из дорогого сырья), а также технического плана - изменения в соотношении количеств Р₂O₅ и, особенно, оксида алюминия в составе могут привести к нежелательному или непредсказуемому изменению других его свойств. Так, нельзя сказать, что Р₂O₅ никак не влияет на вязкость состава, также как и оксид алюминия. Однако, особенно в случае составов типа стекловаты, подвергаемых волокнообразованию при помощи внутреннего центрифугирования, к которым преимущественно относится изобретение, характер изменения вязкости состава является важным критерием, который нужно соответствующим образом контролировать.

Таким образом, в изобретении достигнут приемлемый компромисс, состоящий в следующем: состав может содержать Р₂О₅, но в небольшом количестве, не более чем 3 или 1,5%. Таким образом, сохраняется благоприятное воздействие Р₂О₅ на способность к биологическому разложению без необходимости его избыточного введения, которое требует больших затрат и приводит к увеличению температуры перехода состава в жидкое состояние.

С другой стороны, при соответствующем регулировании количеств других основных компонентов состава, т.е. RO, R₂O, В₂O₃ и SiO₂, количество Аl₂O₃ было значительно увеличено и составило по крайней мере от 16 до 17%. Таким образом, преимущественно количество оксида алюминия может составлять по крайней мере 18%, особенно по крайней мере 19% или по крайней мере 20%.

Было обнаружено, что такое сочетание компонентов вполне удовлетворяет критерию биоразложения при измерении в испытаниях in vitro как при нейтральном, так и кислотном рН. На самом деле вопрос о том, какие значения рН преобладают в физиологической среде in vivo, особенно в области легких, еще не окончательно выяснен. До настоящего времени большое количество оксида алюминия в составе считалось желательным для быстрого растворения при кислотном рН и незначительного/медленного разложения при нейтральном рН.

Изобретение позволило добиться высокого уровня биологической растворимости, по крайней мере, при проведении испытаний in vitro независимо от рН путем выбора состава, содержащего большое количество оксида алюминия при согласовании количеств других компонентов, особенно RO, R₂O и В₂O₃, с целью сохранения благоприятного воздействия при кислотном рН без ущерба для свойств состава при нейтральном рН.

Предпочтительное количество СаО в составе по изобретению преимущественно выбирают между 4 и 11%.

Параллельно предпочтительное количество МgО выбирают между 0,1 и 1%, особенно между 0,3 и 6,5%.

Фактически обычно выбирают количество СаО, которое превышает количество МgО в общем количестве оксидов щелочно-земельных металлов, особенно, из-за стоимости сырья. Таким образом, выбранное количество МgО может быть очень маленьким или даже быть равным 0 (например, находиться между 0 и 1%) или может быть больше, например находиться между 2 и 6%.

Таким образом, в первом воплощении изобретения соотношение СаО/МgО может быть ≥1,25, особенно ≥5 и даже ≥10.

Однако в рамках изобретения оказалось полезным предложить второе его воплощение, состоящее в том, что предусмотренное количество МgО сравнимо с количеством СаО или даже превышает его. Таким образом, соотношения МgО/СаО могут быть больше, чем ≥0,8, или даже больше или равны 1 или 1,05: это соотношение, которое отличается соответствующими количествами СаО и МgО, может вносить благоприятный вклад в способность состава к биологическому разложению.

Количество Na₂O в составе составляет по крайней мере 12%, главным образом его значение находится между 13 и 19,5%, при этом предпочтительное количество K₂O составляет по крайней мере 0,5%, главным образом его значение находится между 0,5 и 8%.

Как и в случае соотношения количеств СаО и МgО в пределах общего количества оксидов щелочно-земельных металлов, в случае оксидов щелочных металлов количество Na₂O в составе обычно значительно превышает количество К₂О. Таким образом, при данном общем количестве оксидов щелочных металлов количество К₂O может быть очень маленьким или даже равным 0 (например, составлять менее чем 3%, особенно находиться между 0,5 и 2,5%). Однако в рамках изобретения можно также предусмотреть наличие в составе значительно большего количества К₂O, например от приблизительно 5 до 7%, которое, например, может составить до более чем одной четверти или даже более чем одной трети по массе от суммарного содержания оксидов щелочных металлов в составе.

Преимущественно состав содержит оксиды щелочно-земельных и щелочных металлов в следующей пропорции: R₂O/RO>1/8, особенно это значение находится между 2 и 4.

Следует отметить, что суммарное содержание SiO₂+Al₂O₃ позволяет в большей степени осуществлять контроль за изменением вязкости состава: предпочтительно, чтобы это суммарное содержание составляло по крайней мере 60%, особенно от около 61 до 67%.

Что касается количества оксида (ов) железа (общее количество железа), то, как упоминалось выше, этот компонент необязателен. Состав может содержать небольшое количество оксида железа, который добавлен намеренно или является примесью. Его присутствие в составе может оказать благоприятное воздействие на огнеупорные свойства полученной минеральной ваты.

Присутствие в составе Р₂O₅, также как и железа, необязательно, его количество может быть равным 0 или достигать 0,1% или по крайней мере 0,1% и достигать 1,5 или 2%.

Оксид бора является благоприятным необязательным соединением, которое играет роль разбавляющего агента, также как и оксиды щелочных металлов, и считается, что он оказывает благоприятное воздействие на способность минеральной ваты к биологическому разложению. Кроме этого, его присутствие ведет к улучшению теплоизолирующих свойств минеральной ваты, главным образом, за счет снижения ее коэффициента теплопроводности.

Кроме этого, состав может содержать определенное число других второстепенных соединений, общее количество которых в составе обычно составляет не более чем от 2 до 3%. Этими соединениями, например, могут быть следы TiO₂, MnO, SO₂ и т.д.

Температура, при которой состав имеет такую вязкость η (в пуазах), что log η=2,5, Т_log2,5 и/или температура, при которой он имеет такую вязкость η (в пуазах), что log η=3, T_log3 превышает/ют температуру перехода в жидкое состояние T_lig; разность Т_log2,5-T_lig, и/или Т_log3-Т_lig предпочтительно составляет по крайней мере 10°С, более предпочтительно по крайней мере 20 или 40°С. Эта разность определяет "рабочую область" составов по изобретению, т.е. температурный интервал, в пределах которого из них можно получать волокна, в особенности, при помощи внутреннего центрифугирования.

Минеральная вата, как упоминалось выше, обладает удовлетворительным уровнем биорастворимости, включает ли методика испытания при нейтральном или слегка щелочном рН или кислотном рН.

Таким образом, минеральная вата по изобретению обычно имеет скорость растворения по крайней мере 30 или по крайней мере 40 или 50 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 4,5 и по крайней мере 30, особенно по крайней мере 40 или 50 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 7,5.

Вообще подобная минеральная вата также имеет скорость растворения по крайней мере 30 и особенно по крайней мере 40 или 50 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 4,5 и по крайней мере 30, особенно по крайней мере 40 или 50 нг/см₂ в час при измерении в испытаниях при рН 6,9.

Обычно она также имеет скорость растворения по крайней мере 60 и особенно по крайней мере 80 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 4,5 и/или по крайней мере 40 и особенно по крайней мере 60 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 6,9 или 7,5.

Минеральная вата в основном используется для изготовления тепло- и/или звукоизолирующих продуктов или субстратов для выращивания растений без почвы. Объектом изобретения также является любой продукт, включающий, по крайней мере, частично минеральную вату, описанную выше.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Дополнительные подробности и преимущественные характеристики предпочтительных, но не ограничивающих изобретения его воплощений будут ясны из нижеследующего описания.

В табл.1 приведены девять примеров химических составов в процентах по массе.

В табл.2 приведены три других примера, в которых точность химического анализа немного выше, в которой также приводятся значения трех физических характеристик, т.е. температуры перехода в жидкое состояние (Т_lig), температуры (Т_log3), при которой вязкость η, измеренная в пуазах, такова, что log η=3, и температуры (Т_log2,5), при которой вязкость η, выраженная в пуазах, такова, что log η=2,5, причем значения этих трех температур выражены в °С.

Когда сумма количеств всех соединений чуть меньше или чуть больше, это отличие от 100% следует понимать, что остальное составляют второстепенные примеси/компоненты, которые не всегда анализируют или которые не могут быть проанализированы, т.к. они присутствуют в следовых количествах (TiO₂, SО₃), или как отличие, возникшее только из-за приближения используемых аналитических методов, принятого в данной области.

Из составов получают волокна при помощи внутреннего центрифугирования известными способами, особенно, в соответствии со способами, описанными в упомянутых ранее патентах.

Их рабочие области, определяемые разностью t_log2,5-t_liq, полностью определены.

Их способность к биологическому разложению является удовлетворительной, особенно при измерении в испытаниях при нейтральном или слегка кислотном рН (рН 4,9 или 7,5) или при кислотном рН (4,5).

Примеры 1 и 2 относятся к первому воплощению изобретения, в котором значительно преобладающим оксидом из семейства оксидов щелочно-земельных металлов является СаО и значительно преобладающим оксидом из семейства оксидов щелочных металлов является Na₂O.

Примеры с 3 по 9 относятся ко второму воплощению изобретения, в котором, напротив, количество МgО из семейства оксидов щелочно-земельных металлов и количество К₂О из семейства щелочных металлов являются значительными.

Примеры с 10 по 12, в которых характеристики определены более точно, показывают, что рассматриваемые составы проявляют хорошие свойства для их плавления (значения Т_lig не очень велики) и рабочая область достаточно широкая, чтобы их можно было подвергнуть процессу волокнообразования без особого затруднения.

Объектом изобретения является минеральная вата, способная растворяться в физиологической среде и включающая нижеследующие компоненты с указанием их количества в мас.%: SiO₂ - 38-52, Al₂O₃ - 16-23, RO(CaO+MgO) - 4-15, R₂O (Na₂O+K₂O) - 16-25, B₂O₃ - 0-10, Fe₂O₃ (общее количество железа) - 0-3, предпочтительно 0-1,5, P₂O₅ - 0-3, предпочтительно 0-1,5, TiO₂ - 0-2. Техническая задача изобретения – улучшение химического состава ваты, повышение ее способности к биологическому разложению. Скорость растворения ваты в физиологической среде, по крайней мере, 30 нг/см² в час. Минеральную вату получают при помощи внутреннего центрифугирования. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Минеральная вата, способная растворяться в физиологической среде, отличающаяся тем, что включает нижеследующие компоненты с указанием их количества, мас.%: SiO₂ 38-52, предпочтительно по крайней мере 40, особенно 41-48; Аl₂O₃ 16-23, предпочтительно 17-21; RO(СаО+МgО) 4-15, предпочтительно 5-12; R₂O (Na₂O+K₂O) 16-25, предпочтительно 17-22; B₂O₃ 0-10, особенно по крайней мере 1, предпочтительно 3-9; Fe₂O₃ (общее количество железа) 0-3, предпочтительно 0-1,5; P₂O₅ 0-3, предпочтительно 0-1,5; TiO₂ 0-2.2. Минеральная вата по п.1, отличающаяся тем, что она содержит СаО в количестве от 4 до 11%.3. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит МgО в количестве от 0,1 до 7%, особенно от 0,3 до 6,5%.4. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в ней соблюдается соотношение МgО/СаО≥0,8, особенно ≥1 или 1,05.5. Минеральная вата по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что в ней соблюдается соотношение СаО /МgО≥1,25, особенно ≥ 5 или ≥ 10.6. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что содержит Na₂O в количестве по крайней мере 12%, особенно от 13 до 19,5%.7. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что содержит К₂O в количестве по крайней мере 0,5%, особенно от 0,5 до 8%.8. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в ней соблюдается соотношение R₂O/RO>1,8, особенно от 2 до 4.9. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что содержит SiO₂+Аl₂О₃ в количестве по крайней мере 60%, особенно 61-67%.10. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она имеет температуру Т_log2,5 и/или температуру Т_log3 и температуру перехода в жидкое состояние T_liq, такие, что разность (Т_log2,5-Т_liq) или (Т_log3-Т_liq) составляет по крайней мере 10°С, особенно по крайней мере 20°С и предпочтительно по крайней мере 40°С.11. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она имеет скорость растворения по крайней мере 30 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 4,5 и по крайней мере 30 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 7,5.12. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она имеет скорость растворения по крайней мере 30 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 4,5 и по крайней мере 30 нг/см в час при измерении в испытаниях при рН 6,9.13. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она имеет скорость растворения по крайней мере 60 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 4,5 и/или по крайней мере 40 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 7,5 и/или по крайней мере 40 нг/см² в час при измерении в испытаниях при рН 6,9.14. Минеральная вата по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она получена при помощи внутреннего центрифугирования.15. Тепло- и/или звукоизолирующий продукт или субстрат для выращивания растений без почвы, включающие, по крайней мере частично, минеральную вату по одному из предшествующих пунктов.