Патент на изобретение №2209190

(54) AL₂O₃-СОДЕРЖАЩАЯ, СТОЙКАЯ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ВОЛОКНИСТАЯ ЛЕНТА ИЗ СТЕКЛОВОЛОКНА С ВЫСОКИМИ ТЕКСТИЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ И ПРОДУКТЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к Al₂O₃-содержащей и стойкой при высокой температуре волокнистой ленте из стекловолокна на основе диоксида кремния, содержащей штапельные волокна длиной 50-1000 мм, имеющей высокие текстильные характеристики, объемистый характер и обладающей свойствами, подобными хлопку. Кроме того, изобретение относится к продуктам из стеклянного штапельного волокна из указанной волокнистой ленты из стекловолокна и их использованию. Текстильные характеристики и высокотемпературную стойкость получают, в частности, путем селективной кислотной экстракции. Состав заявляемой волокнистой ленты из стекловолокна после экстракции включает, в частности, SiO₂ 85-99 мас.% и 1-5 маc.% Al₂O₃ как вспомогательный компонент. Исходный состав стекла для получения стекловолокна имеет следующий состав, мас.%: SiO₂ 70-75, Na₂O и/или K₂O 15-25, Al₂O₃ 1-5, до 5% дополнительных компонентов. Техническая задача изобретения – получение ленты с высокими текстильными, механическими и термическими свойствами. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 2 табл.

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к Al₂О₃-содержащей, стойкой при высокой температуре волокнистой ленте из стекловолокна на основе диоксида кремния с высокими текстильными свойствами, продуктам на основе волокнистой ленты из стекловолокна и их применению.

Уровень техники
Получение текстильных продуктов на основе неорганического волокна в соответствии с различными способами известно в течение длительного времени (Ullmanns Enzyklopdie der technischen Chemie, Bd. 11, Verlag Chemie, Weinheim, 1989). В современном производстве подобных продуктов используют волокна SiO₂ на основе диоксида кремния или стекловидного диоксида кремния (кварцевого стекла), причем различие делается в отношении элементарных волокон в первоначальных формах нити (мононить (монофиламент), волокно, имеющее неограниченную длину и определенное поперечное сечение волокна) и штапельного волокна (волокно, имеющее определенную длину и определенное поперечное сечение волокна) (Z. Ges. Textilind. 69, 839 (1967), патент DE 4240354).

В патенте DE 4240354 описывается линейный текстильный волокнистый продукт – ровница (лента из штапельного волокна), которая представляет собой исходный материал для получения пряжи из штапельного волокна и крученых пряж, пригодных для переработки в последующие конечные продукты, такие как тканые или нетканые материалы. Согласно описанию этого патента, известна ровница из диоксида кремния, которая состоит из штапельных волокон диоксида кремния, имеющих длину от 50 до 1000 м, и которая характеризуется прочностью индивидуального волокна от 20 до 50 сН/текс (cN/tex), силой сцепления волокна от 2 до 20 Н и линейной плотностью (тониной) волокнистой ленты от 50 до 2000 текс. Этот текстильный волокнистый продукт получают согласно трехступенчатому процессу, в котором сочетается сухое прядение пряжи филамента (нити) из жидкого натриевого стекла, получение ровницы из жидкого натриевого стекла согласно способу снятия с цилиндра (withdrawal cylinder process) и трансформация в волокнистую ленту (ровницу) из диоксида кремния в секции дополнительной обработки. Следовательно, в основе этого способа лежит способ формования из раствора жидкого натриевого стекла, который исключительно содержит SiO₂ и Na₂О в различных массовых соотношениях. Заявляется использование кремнийсодержащей волокнистой ленты (ровницы), полученной таким способом, для получения соответствующих пряж из штапельного волокна и крученых пряж, шнуров и тканых и нетканых материалов, для использования при температурах выше 400-500^oС.

Однако информация относительно поведения такой кремнийсодержащей волокнистой ленты при температурах около 1000^oС не приводится. Кроме того, этот материал не предлагается на рынке.

В течение длительного времени также известно получение волокнистых лент из стекловолокна согласно способу снятия с цилиндра (заявка на патент DE 1270748, патент DE 1199935, опубликованная заявка на патент DE 19505618) . В этих способах расплавленное стекло продавливают через фильеры, расположенные в нижней части расплава. Затем элементарные стеклянные мононити протягивают через вращающийся барабан с расщеплением нитей посредством приспособления для выравнивания (evener) и поддержания воздушным потоком на стеклянные волокна, имеющие неоднородные штапельные длины, и передают в устройство, расположенное параллельно оси барабана, для получения волокнистой ленты. Прочность и тесно связанное с ней образование волокнистой ленты из стекловолокна в данном случае непосредственно зависят от скорости вытягивания. Обычно во время процесса получения материала – волокнистой ленты добавляют текстильные добавки для улучшения переработки (например, шлихтующие агенты (аппретуры).

Однако из-за компонентов, содержащихся в стекле, такие волокнистые ленты из стекловолокна не пригодны для использования при температурах выше 300-400^oС.

Были предприняты многочисленные попытки, в которых стекловолокно подвергалось обработке кислотой, с целью повышения его термостабильности, удаления составляющих стекла (boundaryforming веществ) и частичного удаления модификаторов сетки (GB 976565, ЕР 236735, GB 933821, GB 2094363, США 2718461, США 2491761, США 4778499). В этих известных способах кислотной обработке подвергают стекловолокна в смысле индивидуальных волокон мононитей, матрицы из стекловолокна, такие как маты, войлоки, несвязанное в блок вещество и т.п., где волокна расположены беспорядочно (с произвольными ориентациями), или на конкретных текстильных конечных продуктах, таких как обычные пряжи или тканые материалы на основе мононитей (филаментов) из стекловолокна.

Хотя можно увеличить термическую прочность волокон и продуктов, обработанных таким образом, однако их механические свойства (прочность волокна, эластичность и т.п.) при этом понижаются так сильно, что переработка в различные текстильные последующие продукты невозможна. Поэтому подобные материалы прежде всего используются для производства тканых материалов с высоким удельным весом (смотри DE 4240354).

По этой причине была предпринята попытка улучшить текстильную переработку с помощью дополнительных стадий процесса, покрывая обработанное кислотой стекловолокно специальными покрытиями (ЕР 236735), или включая дополнительные вещества, такие как органические текстильные волокна (DE-OS 4221001).

Эти сложные меры до некоторой степени улучшают механические свойства, однако не улучшают текстильные свойства таких волокнистых материалов.

До настоящего времени не удалось успешно получить волокнистые материалы, имеющие свойства, типичные для хлопка. Кроме того, после нагревания этих известных волокон высвобождаются органические составляющие, которые являются в некоторой степени опасными для здоровья. Производство всех ранее известных технических текстильных материалов для использования при температурах выше 400-500^oС не может быть осуществлено на основе этих материалов, поскольку соответствующие объемистые волокнистые ленты ровницы не известны. Для потенциального использования в высокотемпературном диапазоне около 1000^oС в качестве текстильных волокнистых продуктов ранее, кроме того, были предложены – помимо названных кремнийсодержащих волокнистых лент и стекловолокон из диоксида кремния, получение которых начинается из расплавленного кварца (температуры превышают 2000^oС) и связано с огромными затратами – простые пряжи на основе филамента (нити) (содержание SiO₂ превышает 90%). Чтобы сделать их более извилистыми (voluminous) и объемистыми, эти обычные (простые) пряжи, как правило, подвергают сложной и дорогостоящей стадии обработки, то есть текстурированию. Процесс текстурирования разработан так, что капиллярные стеклянные нити, подаваемые в фильеры питающим устройством, смешиваются с холодным воздухом (метод дутья).

Однако с помощью этой обработки невозможно получить требуемые объемистые и извилистые волокнистые продукты, имеющие высокие текстильные свойства, как в настоящем изобретении, которые имеют существенно больше общего с хлопковым волокном, чем с волокнистым материалом, имеющим типичные свойства стекла (хрупкость волокна, раздражение кожи и т.п.). Поэтому возможное разнообразие текстильных последующих продуктов, которые можно получить из этих текстурированных простых пряж, априори ограничено. Попытки получить пряжи из штапельного стекловолокна, имеющие эффект текстурирования, которые описаны в предшествующем уровне техники (DE-OS 19505618), не являются альтернативой в этом контексте, потому что используемая волокнистая лента С стекла, с одной стороны, должна, в свою очередь, быть переработана с дополнительными непрерывными (сплошными) нитями (филаментами) и, с другой стороны, не подходит для использования при повышенных температурах (400 – приблизительно 1100^oС).

Таким образом, неорганические материалы на основе неорганического волокна, известные в предшествующем уровне техники, не удовлетворяют следующим критериям:
– высокие текстильные свойства волокна (свойства, подобные хлопковому волокну, т. е. объемистая, пушистая, извилистая структура, высокая способность удерживать воздух (вместимость по воздуху), сходство с хлопковой пушистой ровницей, приятное ощущение при контакте с кожей, отсутствие раздражения на коже, отсутствие хрупкости волокон);
– приобретение или улучшение механических свойств после кислотной обработки;
– непосредственное получение ряда текстильных последующих продуктов; никаких ограничений к техническим текстильным материалам и, более того, возможно использование в текстильной промышленности;
– не требуется никаких дополнительных веществ или дополнительных стадий (текстурирование, покрытие и т. п. ) для производства разнообразных текстильных последующих продуктов;
– достаточная термическая прочность при длительной выдержке при температурах выше 400^oС;
– отсутствие выделения органических составляющих во время нагревания, отсутствие опасности для здоровья.

Задача настоящего изобретения состоит в получении Al₂O₃-содержащей, стойкой при высокой температуре волокнистой ленты из стекловолокна в виде текстильного, с высокими характеристиками волокнистого материала, которая пригодна для того, чтобы служить в качестве исходного продукта для изготовления любых текстильных последующих продуктов, известных до настоящего времени. Это текстильное с высокими эксплуатационными характеристиками волокно должно сочетать в себе специфические преимущества органических текстильных волокон или природных волокон с преимуществами неорганических текстильных волокон в образующемся смешанном продукте (“неорганический хлопок”). По аналогии с хлопковым волокном, высокие текстильные характеристики волокнистого материала согласно изобретению достигаются благодаря открытой, гофрированной, волнистой структуре и высокой извилистости и объемистости. В процессе производства текстильного материала новое неорганическое волокно допускает дополнительную обработку подобно хлопковому волокну, однако нет необходимости в добавлении дополнительных веществ, добавок, улучшающих переработку текстильного материала, связующих или т.п. Новая волокнистая лента (ровница) из стекловолокна должна быть пригодной для непосредственной переработки, не требуя каких-либо дополнительных стадий процесса (мер покрытия, стадий текстурирования или т. п. ), в пряжи из штапельных волокон, в крученые пряжи и технические текстильные материалы, имеющие высокие текстильные свойства. Во время получения и использования волокнистой ленты (ровницы) из стекловолокна согласно изобретению просто следует исключить незначительное содержание пыли.

Помимо этого, в сравнении с хлопковым волокном, Al₂О₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна характеризуется явно улучшенными механическими свойствами и чрезвычайно улучшенной термостойкостью. Волокнистый материал с высокими текстильными свойствами согласно изобретению не содержит каких-либо органических компонентов, таким образом, никакие органические составляющие не выделяются во время нагревания. Волокнистый материал имеет высокую устойчивость к расстекловыванию, является стойким к большинству химических веществ (за исключением фосфорной кислоты, фтористо-водородной кислоты, а также сильных щелоков) и не повреждает кожу [совместим с кожей), и не представляет никакой опасности для здоровья.

Согласно изобретению получают Al₂О₃-содержащие волокнистые ленты из стекловолокна, которые, представляя собой комбинацию свойств органического и неорганического текстильных волокон (“неорганический хлопок”), могут быть переработаны в любые известные к настоящему времени последующие текстильные продукты, которые, кроме того, пригодны для использования при температурах от 400 до приблизительно 1100^oС.

Поставленная задача решается посредством разработки Al₂O₃-содержащей, стойкой при высоких температурах, волокнистой ленты из стекловолокна на основе диоксида кремния, получаемая путем кислотной экстракции волокнистой ленты из стекловолокна, имеющей следующий состав:
70-75 мас.% SiO₂
15-25 мас.% Na₂O и/или К₂О
от 1 до 5 мас.% Аl₂O₃,
и вплоть до максимум 5 мас.% дополнительных компонентов; продукта из Al₂О₃-содержащего, стойкого при высоких температурах штапельного стекловолокна из Al₂О₃-содержащей с высокими текстильными свойствами и стойкой при высокой температуре волокнистой ленты из стекловолокна на основе диоксида кремния и использования подобных волокнистых лент и продуктов из стекловолокна.

Волокнистая лента из стекловолокна согласно изобретению, которая, в частности, представляет кремнийсодержащую волокнистую ленту, предпочтительно содержит следующие компоненты в указанных массовых пропорциях:
от 85 до 99 мас.% SiO₂
от 1 до 5 мас.% Al₂O₃
от 0 до 10 мас.% Na₂O и/или К₂О
от 0 до 3 мас.% СаО
от 0 до 2 мас.% МgО
от 0 до 2 мас.% В₂О₃,
от 0 до 1 мас.% TiO₂
от 0 до 1 мас.% Fe оксидов, в частности, Fе₂О₃
от 0 до 1 мас.% ZrO₂
от 0 до 0,5 мас.% ВаО
от 0 до 0,5 мас.% РbО
от 0 до 0,5 мас.% ZnO
от 0 до 0,5 мас.% Cr₂O₃ и
от 0 до 0,5 мас.% F
и демонстрирует высокие текстильные свойства, которые проявляются в свойстве, присущем хлопку, и/или в повышенной извилистости (объемистости).

В частности, волокнистую ленту из стекловолокна согласно изобретению получают в результате того, что подходящую волокнистую ленту подвергают кислотной экстракции, с получением высоких текстильных свойств получающейся Al₂О₃-содержащей, особенно устойчивой к высоким температурам, волокнистой ленты из стекловолокна.

Изобретение в частных случаях его выполнения по пп.3-5 представляет собой, в частности, полезные химические композиции Аl₂О₃-содержащих, стойких при высоких температурах волокнистых лент из стекловолокна, полученных после кислотной обработки, содержащих компоненты в указанных массовых пропорциях:
от 95 до 99 мас.% SiO₂ или
от 90 до 98 мас.% SiO₂, в частности от 95 до 98 мас.% SiO₂
от 1 до 5 мас.% Al₂О₃, в частности от 2 до 5 мас.% Al₂O₃
от 0 до 3 мас.% Na₂O и/или К₂О, в частности от 0 до 1 мас.% N₂О и /или К₂О
от 0 до 3 мас.% СаО, в частности от 0 до 1 мас.% СаО
от 0 до 1 мас.% МgО
от 0 до 1 мас.% Fе оксидов, в частности, Fе₂О₃ и
от 0 до 1 мас.% TiO₂.

Пункты с 6 по 8, в частности, касаются особенно полезных свойств подобного текстильного волокнистого материала с высокими характеристиками.

Предпочтительно Al₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна согласно изобретению содержит волокно с поперечным сечением от 6 до 15 мкм, предпочтительно от 7 до 10 мкм, прочность отдельных волокон составляет от 2 до 50 сН/текс, предпочтительно от 10 до 30 сН/текс, и она содержит штапельные волокна, имеющие длину от 50 до 1000 мм и/или имеющие плотность (тонину) от 100 до 2000 текс.

В пунктах с 9 по 13 предпочтительные условия для производства волокнистой ленты из стекловолокна изобретения определяются более детально.

Согласно изобретению, исходя из известных рецептур для производства стойких при высоких температурах стеклянных волокон (GB 976565, GB 1121046), волокнистую ленту из стекловолокна предпочтительно подвергают кислотной экстракции. Волокнистая лента из стекловолокна здесь, например, представляет следующую композицию: 70-75 мас.% SiО₂, 15-25 мас.% Na₂О и/или К₂О, а также от 1 до 5 мас.% Аl₂O₃, причем возможно содержание в низких массовых отношениях (вплоть до 5%) дополнительных компонентов. Неожиданно было обнаружено, что особенно высокими текстильными свойствами обладают Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, образующаяся в результате подходящей комбинации волокнистая лента/кислотная обработка, которая приводит к получению волокна типа хлопка с высокими текстильными характеристиками (“неорганический хлопок”). Содержание Аl₂O₃ между 1 и 5 мас.% предпочтительно с точки зрения текстильных характеристик и высокой прочности волокна. Дополнительные возможные компоненты в низких массовых содержаниях, такие как CaO, TiО₂, МgО, Fе₂O₃, B₂O₃, или следы дополнительных компонентов не оказывают вредного влияния на текстильные характеристики волокна, в то же время они даже могут дополнительно улучшать механические свойства.

С помощью испытаний установлено, что особенно полезные текстильные свойства и высокие прочности получают, если волокнистую ленту из стекловолокна, содержащую 70-75 мас.% SiO₂, 15-25 мас.% Na₂O и/или К₂O, а также от 1 до 5 мас.% Аl₂O₃, обрабатывают в кислотной ванне, необязательно содержащей от 0,1 до 5%, предпочтительно от 1 до 2%, растворимых кремнийорганических соединений. Во всех случаях предпочтительно использовать Na₂О в качестве оксида щелочного металла. В отличие от известных способов обработки, раскрытых, например, в описании патента GB 976565, кислотная обработка не должна вызывать обеднение или даже полное удаление содержания Al₂O₃, поскольку последний несомненно вносит вклад в высокие текстильные свойства и в превосходные механические свойства волокнистой ленты из стекловолокна.

Для кислотной экстракции можно использовать неорганические и органические кислоты. При использовании неорганических кислот, таких как серная кислота, азотная кислота, фосфорная кислота, или предпочтительно хлористоводородная кислота, кислотную экстракцию соответственно проводят внутри диапазона температур от 30 до 90^oС, предпочтительно от 40 до 60^oС, в течение от 2 до 12 ч, предпочтительно от 10 до 12 ч, причем концентрация кислоты составляет от 1 до 30%, предпочтительно от 15 до 20%, и массовое отношение используемого стекловолокна к объему кислотной среды составляет от 1/2,1 до 1/40, предпочтительно от 1/4 до 1/15.

Если используют органическую кислоту, такую как муравьиная кислота, уксусная кислота или щавелевая кислота, целесообразно, чтобы применяемая температура находилась между 30^oС и температурой кипения органической кислоты, предпочтительно между 50 и 90^oС, в течение периода времени от 2 до 12 ч, предпочтительно от 10 до 12 ч. Концентрация кислоты для муравьиной и уксусной кислоты составляет от 1 до 80%, для щавелевой кислоты от 1 до 30%, и массовое отношение используемого стекловолокна к объему кислотной среды также составляет от 1/2,1 до 1/40.

Последующее промывание водой можно проводить при температуре от 15 до 120^oС, предпочтительно от 15 до 20^oС, необязательно под давлением. При использовании спиртов, таких как метанол или этанол, и растворов соли в качестве промывных сред, предпочтительны температуры между 15 и 60^oС. Последующую сушку предпочтительно осуществляют при температуре от 40 до 250^oС, предпочтительно от 50 до 130^oС. За ней необязательно может следовать отжиг при 30-1000^oС.

Как в процессе кислотной обработки, так и в процессе промывания можно использовать стационарные или даже перемешиваемые среды. Волокнистую ленту соответственно используют в форме свернутой спирали (свернутой в виде витков форме).

В процессе сушки любые общепринятые способы сушки и оборудование можно использовать в зависимости от содержания влажности Al₂О₃-содержащей волокнистой ленты из стекловолокна. Время от времени рекомендуется стадия предварительной сушки, например, посредством центрифугирования или отделения под давлением при помощи сжатого воздуха. Осуществляется ли способ сушки периодически или непрерывно – не имеет значения для успешной сушки материала волокнистой ленты согласно изобретению.

В отличие от обработанных кислотой стеклянных волокон предшествующего уровня техники, механические и текстильные свойства экстрагированных кислотой Al₂О₃-содержащих волокнистых лент из стекловолокна не ухудшаются. Благодаря селективной кислотной экстракции обеспечивается получение максимально возможной степени прочности волокна, в то же время даже наблюдается отчасти удивительное увеличение в прочности. Переработка текстильного материала в любые известные текстильные последующие продукты, такие как пряжи из штапельных волокон, крученые пряжи и технические текстильные материалы, возможна немедленно и без каких либо дополнительных требуемых материалов и мер, кроме того, загрязнение пылью было ничтожно мало. Текстильная переработка материала волокнистой ленты согласно изобретению может быть реализована без необходимости введения каких-либо добавок, улучшающих текстильную переработку, дополнительных материалов (стеклянные филаменты (нити), нити из нержавеющей стали и т. д.), связующих или т.п. Однако при необходимости можно добавить небольшие количества текстильных вспомогательных веществ (в частности, антистатические добавки). Другое конкретное преимущество предлагаемого “неорганического хлопка” состоит в том, что он полностью освобождается от органических составляющих в результате кислотной экстракции, так что после нагревания вплоть до 1100^oС никакие органические составляющие не выделяются. Поэтому для Al₂О₃-содержащих волокнистых лент из стекловолокна согласно изобретению не наблюдается выжигания текстильной аппретуры, которое может наблюдаться в случае обычных неорганических волокнистых материалов (например, материалы из стекловолокна). Благодаря преимущественным поперечным сечениям волокна (от 6 до 15 мкм, предпочтительно от 7 до 10 мкм) , эти волокнистые материалы не имеют никакого канцерогенного потенциала (не-респирабельны), в результате исключается опасность для здоровья.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает стойкую при высоких температурах Al₂О₃-содержащую волокнистую ленту из стекловолокна на основе диоксида кремния, имеющую высокие текстильные характеристики, которая идеальным образом объединяет полезные свойства органических и неорганических текстильных волокон. Без каких-либо сложных и увеличивающих стоимость стадий переработки, в частности стадий текстурирования, если требуется, получают материал волокнистой ленты, который имеет открытую, объемистую, пушистую структуру, которая присутствует в хлопковом волокне. Но даже посредством процесса текстурирования веществ предшествующего уровня техники нельзя получить сравнимые объемистые и пушистые текстильные волокнистые продукты, способные накапливать (запасать) воздух в больших количествах благодаря их высокой объемистости и извилистости и поэтому имеющие превосходные изолирующие свойства. Кроме того, волокнистые ленты согласно изобретению и хлопковые пушистые ровницы имеют явные аналоги (оптический внешний вид, приятное ощущение при контакте с кожей и т.д.). Типичные свойства стекла (например, хрупкость волокон, вызывание кожных раздражений или неприятное ощущение при контакте с кожей, низкая объемистость и высокий удельный вес (простые пряжи)) устраняются путем кислотной экстракции. Тем не менее, в Al₂О₃-содержащей волокнистой ленте из стекловолокна согласно изобретению при получении преимуществ хлопкового волокна также представлены благоприятные свойства неорганических текстильных волокон. Кроме того, помимо существенного увеличения прочности волокна, температурная стабильность материала благодаря кислотной экстракции повышается до такой степени, что его можно применять при температурах вплоть до приблизительно 1100^oС. Даже при таких высоких температурах, все еще регистрируется значительная остаточная прочность волокнистой ленты. Помимо этого, она обладает высокой устойчивостью к расстекловыванию: при 1075^oС, формирование -кристобалита наблюдается только после 24 ч. По сравнению с хлопковым волокном новая волокнистая лента из стекловолокна на основе диоксида кремния характеризуется явно более низким водопоглощением (<0,5%, хлопок приблизительно 8%) . Кроме того, как результат свободных Si-ОН группировок, существует высокая поглотительная способность. Поэтому эта реакционноспособная поверхность пригодна для дополнительного ионного обмена и реакций модификации. Не последним (по важности) является тот факт, что посредством соответствующего подбора условий в кислотной ванне можно реализовать даже заданное (преднамеренное) регулирование пористости в Al₂О₃-содержащей волокнистой ленте из стекловолокна (удельная поверхность 2-20 м²/г, удельный объем пор 10-25 мм³/г, удельная поверхность пор 5-15 м²/г при поперечных сечениях от 9,5 до 11 мкм).

Продукт из Al₂О₃-содержащего, стойкого при высокой температуре штапельного волокна, имеющий высокие текстильные свойства, представляет предмет изобретений по п. 16 и 17. Применение материала волокнистой ленты согласно изобретению и пряж из штапельных волокон, крученых пряж и технических текстильных материалов, а также свободных (несвязанных) штапельных волокон, полученных из него, представляет предмет изобретения по п.15. Эти продукты являются особенно полезными для применений при температурах выше 400^oС.

Волокнистая лента из стекловолокна согласно изобретению состоит из штапельных волокон, имеющих длину штапеля между 50 и 1000 мм, и ее можно получить с линейной плотностью (тониной) между 100 и 2000 текс. Волокнистые ленты с линейной плотностью (тониной) свыше приблизительно 150 текс можно, например, использовать непосредственно в качестве наполняющих нитей (филаментов) для производства тканого полотна из стекловолокна. На стандартных крутильных машинах двойного кручения можно получить из этого материала-волокнистой ленты пряжи из штапельного стекловолокна на основе диоксида кремния, которые можно, например, применять как основу или нити наполнителя в производстве тканых или плетеных изделий из стекловолокна, например в тканых изделиях из стекловолокна (имеющих форму листовых (вальцованных) продуктов), тканых текстильных (переплетенных) лент, шнуров из стекловолокна, шлангов и упаковок (круглых или тетрагональных). По аналогии с хлопковой ровницей волокнистую ленту, намотанную на бобины, подают непосредственно в прядильную, дублировочную или крутильную машину.

Если для конкретных случаев применения требуется дополнительное увеличение прочности, то можно обработать пряжи из стеклянного штапельного волокна согласно изобретению, кроме волокнистых лент с очень высоким содержанием диоксида кремния, на коммерчески доступных крутильных машинах. Однако, если главный интерес заключается в достижении максимальной объемистости (извилистости) продукта из стекловолокна, то в текстильной переработке используют волокнистую ленту с очень высоким содержанием диоксида кремния. Благодаря подобному хлопку свойству – свойству объемистости (извилистости), можно поэтому получить легкие по массе текстильные последующие продукты, в результате чего достигаются огромная экономия материальных затрат и соответственно снижение стоимости на погонный метр или единицу поверхности. Это, в равной степени, применимо к производству вязаных (трикотажных) тканей или тканей на трикотажной основе из стекловолокна на обычных промышленных трикотажных и швейных машинах. Как правило, лишь незначительная опасность загрязнения пылью наблюдается при переработке на текстильных машинах.

Al₂О₃-содержащие волокнистые ленты из стекловолокна могут также быть полезными для производства нетканых волокнистых материалов. Благодаря подобному хлопку свойству материалов волокна нетканые волокнистые материалы, имеющие низкую плотность упаковки (удельные плотности <90 кг/м³) и высокую изолирующую способность, очень легко доступны, поскольку соответствующие процессы текстурирования могут быть опущены. Это также свидетельствует о значительной экономии материальных затрат на единицу поверхности (вплоть до приблизительно 50% по сравнению с коммерчески доступными неткаными волокнистыми материалами на основе пряж из текстурированных нитей). Al₂О₃-содержащие волокнистые ленты из стекловолокна подают в производственную линию в мелко нарубленной форме. Связывание нетканых волокнистых материалов предпочтительно выполняют путем сплетения штапельных волокон посредством прошивания с помощью игл (иглопробивные нетканые материалы). Для специальных целей использования также возможно химическое связывание волокнистой ткани (полотна), например, посредством применения клея. Кроме того, сплошное уплотнение (уплотнение прессованием) таких волокнистых нетканых материалов открывает путь для производства панелей из стекловолокна (щитов). Возможно изготовление соответствующей волокнистой бумаги, где содержащиеся в воде Al₂О₃-содержащие стеклянные штапельные волокна наносят на водопроницаемую поверхность (например, перфорированный цилиндр). Это, однако, не составляет предпочтительный вариант.

Благодаря своей высокой термостойкости и своей превосходной изолирующей способности Al₂О₃-содержащие волокнистые ленты из стекловолокна согласно изобретению и текстильные последующие продукты, полученные из них, особенно подходят в качестве теплоизоляционных материалов, в частности, в печах, камерах сгорания, бойлерах, газопроводах, для высокотемпературных герметизирующих средств и высокотемпературных изоляторов, как изоляционные и звукопоглощающие материалы в строительной промышленности, для защиты от огня (пожара), для акустической и тепловой изоляции в автомобильной промышленности (например, в двигателе, во фрикционных прокладках тормозной ленты, в каталитическом преобразователе, для кабельных покрытий, в области выхлопной трубы и глушителя), при обработке металла и в химической промышленности (например, как тепловой экран на алюминий плавильных заводах), для электрических и домашних приборов, в технологии очистки выхлопного газа и технологии фильтрации (например, для тонкой очистки от сажи и пыли, для горячей фильтрации газов, как высокоэффективные фильтры), в медицинской технологии (например, как кабельная защита, тканевый фильтр в форме рукава, протезные устройства), в качестве сепараторов электрического аккумулятора и компенсаторов на электростанциях (например, для газовых турбин, бойлера и на заводах для сжигания отходов), для изоляции труб, трубопроводов и электрических выводов, в судостроении, для производства тепловых экранов в авиации и аэрокосмических разработках, а также как замена асбестового и керамического волокна.

Текстильные волокнистые продукты согласно изобретению могут также с большим успехом использоваться как армирующий материал для синтетических материалов (например, в строительстве лодок и судов, в строительстве резервуара, контейнера и установок, для спортивного оборудования), для армирования материалов (например, путем включения в металлическую матрицу, в частности, Аl матрицу, через посредника (промежуточное химическое соединение) процесса плавления), как прокладка для текстильных изделий и текстильных изделий специального назначения, как наполнитель для асфальта и для армирования (усиления) гипса, цемента, бумаги (например, для волокнистых обоев) и каучука.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Следующие примеры служат дополнительной иллюстрацией настоящего изобретения.

ПРИМЕР 1
550 г экстрагированной кислотой, Al₂О₃-содержащей волокнистой ленты из стекловолокна, имеющей линейную плотность (тонину) 430 текс (волокнистая лента 1, экстракция 15% хлористоводородной кислотой в присутствии растворимых кремнийорганических соединений (3%) , температура 55^oС, время экстракции 10 ч, массовое отношение используемого волокнистого материала/кислотная среда 1/2,5), имеющей состав 94,2 мас.% SiO₂, 1,1 мас.% Na₂О, 4,6 мас.% Al₂О₃ и дополнительные компоненты в следовых количествах, наматывают поперек 2 роликов на цилиндрическую трубку длиной 170 мм, для текстильной пряжи. Скорость вытяжного (ролика) составляет 120 м/мин. В аналогичных условиях наматывают волокнистую ленту из стекловолокна типа С-стекло (волокнистая лента 2, тонина также 430 текс, состав: 70,2 мас.% SiO₂, 15,7 мас.% Na₂O, 3,5 мас.% Al₂О₃, 5,0 мас. % СаО, 3,1 мас.% MgO, 2,0 мас.% ВаО и дополни тельные компоненты в следовых количествах). Предварительная обработка кислотой при идентичных условиях привела только к незначительной модификации химического состава (содержание щелочи снизилось на 0,3%) и поэтому не привела к увеличению термической стабильности. Для обеих волокнистых лент (необработанной и экстрагированной кислотой, соответственно) определяют прочности волокнистой ленты (порции 100-мм длины без крутки), а также истирание и число разломов нитей (филаментов) (разрыв волокнистой ленты) во время наматывания (см. табл.1).

ПРИМЕР 2
Al₂О₃-содержащую волокнистую ленту из стекловолокна (линейная плотность (тонина) 630 текс, прочность волокнистой ленты 4,55 сН/текс, состав: SiO₂ 74,8%, Na₂O 17,5%, К₂О 1,0%, Al₂О₃ 2,2%, CaO 1,7%, МgО 1,1%, B₂O₃ 0,9%, TiO₂ 0,3%, дополнительные составляющие в следовых количествах) подвергают экстракции минеральной кислотой с помощью хлористоводородной кислоты. Здесь 50 г волокнистой ленты (волокно с поперечным сечением 7 мкм) экстрагируют внутри 500-мл ПТФЭ (PTFE) сосуда з 300 мл 20% хлористоводородной кислоты в присутствии растворимых кремнийорганических соединений (1,5%) в течение 12 ч при температуре 55^oС. По истечении 10-минутного периода времени обработанную таким образом волокнистую ленту промывают шесть раз холодной водой (температура 18^oС) . Затем экстрагированное и промытое вещество волокнистой ленты сушат в течение 12 ч при температуре 55^oС. Впоследствии получают с высокими текстильными свойствами типа хлопка Al₂О₃-содержащую волокнистую ленту из стекловолокна следующего состава:
SiO₂: 94,7 мас.%
Na₂O: 0,6 мас.%
Аl₂O₃: 2,5 мас.%
CaO: 0,9 мас.%
МgО: 0,7 мас.%
В₂О₃: 0,4 мас.%
TiO₂: 0,1 мас.%.

Вещество волокнистой ленты, полученное таким образом, и имеющее типа хлопка объемистый извилистый характер, имеет длительную стабильность при температуре вплоть до, по крайней мере, 1000^oС. Прочность волокнистой ленты после кислотной обработки составляет 4,42 сН/текс. После 24-часовой обработки при 900^oС остаточная прочность все еще составляет 32%. При этих условиях не наблюдается образования -кристобалита.

ПРИМЕР 3
Чтобы характеризовать подобную хлопку, с объемным извилистым характером Аl₂O₃-содержащую волокнистую ленту из стекловолокна согласно изобретению, определяют объемные плотности необработанных, а также экстрагированных кислотой материалов в неуплотненных и уплотненных условиях (в виде штапельных волокон, 5 мм) и из них оценивают относительные объемы ячейки. Кроме того, даются результаты измерений удельной теплопроводности, которые получают при комнатной температуре. Экспериментальные результаты сравнивают с экспериментельно определенными для не стойкой при высокой температуре волокнистой ленты из стекловолокна типа С-стекла (для состава, см. Пример 1) в аналогичных условиях. Параметры кислотной экстракции и дополнительной обработки соответствуют таковым Примера 2 (см. табл.2).

ПРИМЕР 4
Аl₂O₃-содержащую волокнистую ленту из стекловолокна на основе диоксида кремния (линейная плотность (тонина) 660 текс, прочность волокнистой ленты 5,35 сН/текс, состав: SiO₂ 74,8%, Na₂O 17,5%, К₂О 1,0 %, Аl₂O₃ 2,2%, CaO 1,7%, МgО 1,1%, B₂O₃ 0,9%. TiO₂ 0,3%, дополнительные составляющие в следовых количествах), имеющую форму свернутого клубка, подвергают экстракции минеральной кислотой с помощью хлористоводородной кислоты. Материал волокнистой ленты (волокно с поперечным сечением 7 мкм) экстрагируют внутри 3500-мл ПТФЭ (PTFE) сосуда в 3000 мл 18% хлористоводородной кислоты в течение 10 ч при температуре 58^oС. Затем экстрагированный текстильный волокнистый продукт промывают шесть раз в том же самом сосуде холодной водой, имеющей температуру 20^oС. Затем экстрагированный и промытый продукт из стекловолокна сушат в течение 12 ч при температуре 75^oС. В результате Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, имеющая, подобно хлопку, объемистый извилистый характер, имеет следующий состав:
SiO₂ : 96,1 мас.%
Na₂O: 0,1 мас.%
Al₂O₃: 3,7 мас.%.

Само собой разумеется, что следовые количества дополнительных компонентов также содержатся в виде примесей. Удельная потеря массы по сравнению с необработанным продуктом из стекловолокна составляет 15,1%. Полученная таким образом волокнистая лента с подобной хлопку повышенной объемистостью демонстрирует длительную термостабильность вплоть до, по крайней мере, 1050^oС. После кислотной обработки наблюдается увеличение прочности волокнистой ленты (5,46 сН/текс). Остаточная прочность после 30-часовой обработки при 1050^oС составляет 42%. Материал волокнистой ленты, полученный и обработанный таким образом, затем прядут на стандартной раме кольцевого прядения (скорость протяжки 150 м/мин). Вызванное в этом процессе абразивное истирание было ничтожно мало (<0,01%). Во время этой стадии переработки не было зарегистрировано разрывов нити.

ПРИМЕР 5
Волокнистую ленту из стекловолокна на основе диоксида кремния (линейная плотность (тонина) 420 текс, прочность волокнистой ленты 4,11 сН/текс), расположенную на цилиндрической трубке длиной 170 мм для текстильной пряжи, подвергают в этой форме экстракции минеральной кислотой с помощью муравьиной кислоты. Волокнистую ленту (волокно с поперечным сечением 9 мкм) экстрагируют в 3500-мл ПТФЭ сосуде в 3100 мл 30% муравьиной кислоты в присутствии растворимых кремнийорганических соединений (2%) в течение 12 ч при температуре 60^oС. Затем экстрагированный текстильный волокнистый продукт промывают путем погружения в ПТФЭ сосуд с холодной водой (температура 18^oС). Экстрагированный и промытый материал волокнистой ленты сушат в течение 8 ч при температуре 115^oС. Удельная потеря массы по сравнению с необработанной волокнистой лентой составляет 13,3%, что коррелирует с удельной степенью экстракции 96%. После обработки Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна типа хлопка, с объемным извилистым характером, полученная таким образом, имеет следующий состав:
SiO₂: 94,4 мас.%
Na₂O: 0,9 мас.%
Аl₂O₃: 4,3 мас.%
СаО: 0,2 мас.%
МgО: 0,1 мас.%.

Прочность волокнистой ленты после кислотной обработки составляет 3,79 сН/текс. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, имеющая высокие текстильные свойства, демонстрирует длительную термостабильность вплоть до, по крайней мере, 950^oС. После 24-часовой термообработки при этой температуре все еще регистрируется остаточная прочность 28%.

Формула изобретения

1. Аl₂O₃-содержащая, с высокими текстильными свойствами и стойкая при высокой температуре волокнистая лента из стекловолокна на основе диоксида кремния, содержащая штапельные волокна, имеющие длину 50-1000 мм, получаемая путем кислотной экстракции волокнистой ленты из стекловолокна, имеющей следующий состав: 70-75% маc. SiO₂, 15-25% маc. Na₂O и/или К₂O, 1-5 маc.% Аl₂O₃ и вплоть до максимум 5 маc.% дополнительных компонентов.

2. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по п. 1, отличающаяся тем, что ее получают путем экстракции волокнистой ленты из стекловолокна неорганической или органической кислотой, необязательно в присутствии растворимых кремнийорганических соединений, при этом она содержит следующие компоненты в указанных массовых пропорциях: 85-99 маc.% SiO₂, 1-5 мас. % Аl₂O₃, 0-10 мас.% Na₂O и/или К₂О, 0-3 мас.% СаО, 0-2 маc.% МgО, 0-2 маc. % В₂O₃, 0-1 мас.% ТiO₂, 0-1 мас.% Fе оксидов, в частности, Fe₂O₃, 0-1 маc. % ZrO₂, 0-0,5 мас.% ВаО, 0-0,5 мас.% РbО, 0-0,5 мac.% ZnO, 0-0,5 мас.% Сr₂О₃, 0-0,5 мас.% F.

3. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит следующие компоненты в указанных массовых пропорциях: 90-98 маc.% SiO₂, 2-5 маc.% Аl₂O₃, 0-3 мac.% Na₂O и/или К₂О, 0-1 маc.% СаО, 0-1 маc.% МgО, 0-1 маc.% Fe оксидов, в частности, Fe₂O₃, 0-1 маc. % TiO₂.

4. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по п.2 или 3, отличающаяся тем, что она содержит следующие компоненты в указанных массовых пропорциях: 95-98 маc.% SiO₂, 2-5 маc.% Аl₂O₃, 0-1 маc.% Nа₂О и/или K₂О, исходя из общей массы названных компонентов.

5. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит следующие компоненты в указанных массовых пропорциях: 95-99 мас.% SiO₂, 1-5 мас.% Аl₂O₃, 0-1 мас.% Na₂O и/или К₂О, 0-3 мас.% СаО, 0-1 мас.% Fe₂O₃, 0-1 мас.% TiO₂, 0-1 мас.% МgО.

6. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что она содержит волокно с поперечным сечением 6-15 мкм, предпочтительно 7-10 мкм.

7. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что она содержит штапельные волокна, имеющие длину 50-1000 мм и линейную плотность (тонину)100-2000 текс.

8. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что прочность отдельных волокон составляет 2-50 сН/текс, предпочтительно 10-30 сН/текс.

9. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по одному из пп. 2-8, отличающаяся тем, что указанную кислотную экстракцию проводят под давлением, и/или промывая водой, спиртом или растворами солей, и/или высушивая и, необязательно, отжигая.

10. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, по крайней мере по одному из пп. 2-9, отличающаяся тем, что неорганическая кислота представляет собой серную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту или, предпочтительно, хлористоводородную кислоту и для указанной кислотной экстракции предпочтительно применяют следующие условия кислотной экстракции: диапазон температуры 30-90^oС, диапазон концентрации 1-30 %, продолжительность кислотной экстракции 2-12 ч и массовое отношение материала стекловолокна к объему кислотной среды 1:2,1-1:40.

11. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, по крайней мере, по одному из пп.2-9, отличающаяся тем, что указанная кислота представляет собой органическую кислоту, предпочтительно муравьиную кислоту, уксусную кислоту или щавелевую кислоту, и, предпочтительно, применяют следующие условия кислотной экстракции: диапазон температуры 30^oС вплоть до температуры кипения органической кислоты, диапазон концентрации 1-80%, для щавелевой кислоты 1-30%, продолжительность кислотной экстракции 2-12 ч, массовое отношение материала стекловолокна к объему кислотной среды 1:2,1 до 1: 40.

12. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, по крайней мере, по одному из пп.9-11, отличающаяся тем, что промывку осуществляют водой при температуре 15-120^oС, необязательно под давлением, или спиртами, предпочтительно метанолом или этанолом, и растворами солей при температуре 15-60^oС.

13. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна, по крайней мере, по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что сушку осуществляют при температуре 40-250^oС и отжиг необязательно осуществляют при температуре 250-1000^oС.

14. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по одному из пп. 1-13, используемая для теплоизоляционных материалов, в частности, в печах, камерах сгорания, бойлерах, газопроводах, для высокотемпературных герметизирующих средств и высокотемпературных изоляторов, как изоляционные и звукопоглощающие материалы в строительной промышленности, для защиты от огня, для акустической и тепловой изоляции в автомобильной промышленности, при обработке металла и в химической промышленности, для электрических и домашних приборов, в технологии очистки выхлопного газа и технологии фильтрации, в медицинской технологии, в качестве сепараторов аккумуляторов и компенсаторов, для изоляции труб, трубопроводов и электрических выводов, в судостроении, для производства тепловых экранов в авиации и аэрокосмических разработках, а также как замена асбестового и керамического волокна.

15. Аl₂O₃-содержащая волокнистая лента из стекловолокна по одному из пп. 1-13, используемая в качестве армирующего материала для синтетических материалов, для армированных материалов, в качестве прокладки для текстильных изделий и текстильных изделий специального назначения, в качестве наполнителя для асфальта и для армирования гипса, цемента, бумаги и каучука.

16. Продукт на основе Аl₂O₃-содержащего стойкого при высокой температуре штапельного стекловолокна из Аl₂O₃-содержащей волокнистой нити из стекловолокна на основе диоксида кремния по одному из пп.1-13.

17. Продукт по п.16, отличающийся тем, что его выбирают из группы, состоящей из пряжи штапельного волокна, из стекловолокна, крученой пряжи и технических текстильных материалов, имеющих форму тканых материалов, нетканых волокнистых материалов, предпочтительно иглопробивных матов, кордов, лент, рукавов, паковок, а также бумага из стекловолокна и панелей из стекловолокна – щитов, и свободных штапельных волокон.

18. Продукт по п.16 или 17, используемый для теплоизоляционных материалов, в частности в печах, камерах сгорания, бойлерах, газопроводах, для высокотемпературных герметизирующих средств и высокотемпературных изоляторов, как изоляционные и звукопоглощающие материалы в строительной промышленности, для защиты от огня, для акустической и тепловой изоляции в автомобильной промышленности, при обработке металла и в химической промышленности, для электрических и домашних приборов, в технологии очистки выхлопного газа и технологии фильтрации, в медицинской технологии, в качестве сепараторов, аккумуляторов и компенсаторов, для изоляции труб, трубопроводов и электрических выводов, в судостроении, для производства тепловых экранов в авиации и аэрокосмических разработках, а также как замена асбестового и керамического волокна.

19. Продукт по п.16 или 17, в качестве армирующего материала для синтетических материалов, для армированных материалов, в качестве прокладки для текстильных изделий и текстильных изделий специального назначения, в качестве наполнителя для асфальта и для армирования гипса, цемента, бумаги и каучука.

Приоритет по пунктам:
13.05.1997 – по пп.1, 4-6, 14;
13.05.1998 – по пп.2, 3, 7-13, 15-19.

РИСУНКИ