无机纤维的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请根据35U.S.C. 119(e)要求于1013年3月15日提交美国临时专利申请第 61/792, 925号的优先权，该临时申请通过引用方式并入本文。
技术领域
[0002] 提供一种可用作为热绝缘材料、电绝缘材料或隔音材料的耐高温无机纤维，并且 其具有1400°C以上的使用温度。所述耐高温无机纤维是容易制备的，显示了在暴露于所 述使用温度之后的低收缩性，保留了在暴露于所述使用温度之后的良好机械强度，以及可 溶于生理性液体。
[0003] 背景 所述绝缘材料工业已确定希望在热绝缘、电绝缘和隔声应用中采用纤维，其在生理性 液体中是非持久性的，也就是说纤维组合物在生理性液体中显示了低的生物持久性或高溶 解度。尽管已提出了候选材料，然而这些材料的使用温度界限并非足够高至适应多种采用 耐高温纤维的所述应用。
[0004] 已推荐了在材料的合成玻璃态纤维家族中的多种组合物，其在生理介质中是非持 久性的或可分解的。
[0005] 在预期的暴露温度下以及在延长的或连续暴露至所述预期的使用温度之后所述 耐高温纤维还应表现出最小化的线性收缩，以向被绝缘的所述制品提供有效的热防护。
[0006] 除了由在绝缘材料中使用的纤维中重要的收缩特性表征的耐热性以外，还要求所 述纤维在暴露于所述使用温度或工作温度期间或之后具有机械强度特性，这将允许所述纤 维在使用时保持其结构完整性和绝缘特性。
[0007] 纤维的机械完整性的一个特性是其在使用之后的脆性。纤维越脆，也就是说其越 容易被压碎或破碎成粉末，其具有越低的机械完整性。通常，具有耐高温性和在生理性液体 中非持久性的无机纤维还呈现高程度的使用后脆性。这导致纤维在暴露于所述工作温度以 能提供实现其绝缘目的所必需的结构之后缺少强度或机械完整性。纤维机械完整性的其它 量度包括压缩强度和压缩复原。
[0008] 因此，期望生产一种改善的无机纤维组合物，其可从期望的多成分的可纤维化熔 融物容易地制备，其在暴露于1400°C或更高的工作温度期间和之后表现出低收缩，其在暴 露于预期的使用温度之后表现出低脆性，以及其在暴露于1400°C或更高的使用温度之后保 持机械完整性。
[0009] 根据一些实施方式，提供一种耐高温无机纤维，其在暴露于1400°C或更高的使用 温度时表现出10%或更小的线性收缩，以及其在暴露于使用温度之后保持机械完整性，以 及其在生理性液体中是非持久性的。
[0010] 根据某些实施方式，所述耐高温无机纤维在暴露于1400°C或更高的使用温度时表 现出5%或更小的线性收缩，在暴露于所述使用温度之后保持机械完整性，以及在生理性液 体中是非持久性的 根据某些实施方式，所述耐高温无机纤维在暴露于1400°C或以上的使用温度时表现出 4%或更小的线性收缩，在暴露于所述使用温度之后保持机械完整性，以及在生理性液体中 是非持久性的。
[0011] 所述无机纤维包括约65至约86wt%的二氧化娃、约14至约35wt%的氧化镁和预定 的氧化铁添加剂的纤维化产物，其中所述无机纤维在1400°C表现出10%或更小的收缩率。
[0012] 还提供一种制备耐高温无机纤维的方法，所述纤维在暴露于1400°c或更高的使用 温度时表现出10%或更小的线性收缩率，在暴露至所述使用温度之后保持机械完整性，以 及在生理性液体中是非持久性的。
[0013] 根据某些实施方式，所述方法包括制备一种耐高温无机纤维，其在暴露于1400°C 或更高的使用温度时表现出5%或更小的线性收缩率，其在暴露于所述使用温度之后保持 机械完整性，以及其在生理性液体中是非持久性的。
[0014] 根据某些实施方式，所述方法包括制备一种耐高温无机纤维，其在暴露于1400°C 或更高的使用温度时表现出4%或更小的线性收缩率，其在暴露于所述使用温度之后保持 机械完整性，以及其在生理性液体中是非持久性的。
[0015] 根据某些示例性实施方式，所述用于制备一种耐高温无机纤维的方法包括形成具 有包括约65wt%_约86wt%的二氧化娃、约14wt%_约35wt%的氧化镁和包含氧化铁的材料 的成分的熔融物；以及从该熔融物产生纤维，所述耐高温无机纤维具有1400°C或更高的使 用温度，其在暴露于所述使用温度之后保持机械完整性，以及其在生理性液体中是非持久 性的。
[0016] 还提供一种用由多根所述无机纤维制成的纤维绝缘材料使制品绝缘的方法。所述 方法包括将包括多根所述无机纤维的热绝缘材料设置在待热绝缘的制品之上、之中、附近 或围绕所述制品设置，以及将所述待热绝缘的制品暴露至1400°c或更高的温度。
[0017] 根据某些示例性实施方式，所述热绝缘制品的方法包括将包含多根无机纤维的热 绝缘材料设置在所述制品之上、之中、附近或围绕所述制品设置，所述无机纤维包括包含 70wt%或更多的二氧化硅、氧化镁以及大于0-10wt%的氧化铁的预定的添加剂的成分的熔 融物的纤维化产物，其中所述纤维在1400°C表现出10%或更小的收缩率。
[0018] 根据某些示例性实施方式，所述热绝缘制品的方法包括将包含多根无机纤维的热 绝缘材料设置在所述制品之上、之中、附近或围绕所述制品设置，所述无机纤维包括包含 70wt%或更多的二氧化硅、氧化镁以及大于0至10wt%的氧化铁的预定的添加剂的成分的熔 融物的纤维化产物，其中所述纤维在1400°C表现出10%或更小的收缩率。
[0019] 根据某些示例性实施方式，所述热绝缘制品的方法包括将包含多根无机纤维的热 绝缘材料设置在所述制品之上、之中、附近或围绕所述制品设置，所述无机纤维包括包含 70wt%或更多的二氧化硅、氧化镁以及大于0至10wt%的氧化铁的成分的熔融物的纤维化产 物，其中所述无机纤维在1400°C表现出5%或更小的收缩率。
[0020] 还提供一种包含无机纤维的制品，所述制品包括多根如上所述的无机纤维，所述 制品的形式为散纤维（bulkfiber)、毯子、针刺毯（needledblankets)、纸、毯、铸造模型 (castshape)、真空铸型或复合材料。
[0021] 图1是市售硅酸镁纤维和包含氧化铁的硅酸镁纤维的熔融物化学品的粘度-温度 曲线。
[0022] 图2是表示包含至少70wt%的二氧化硅和包括氧化铁添加剂的硅酸镁纤维在 1400°C的线性收缩的图。
[0023] 图3是表示包含至少70wt%的二氧化硅和包括氧化铁添加剂的硅酸镁纤维在 1400°C的作为纤维直径函数的线性收缩率的图。
[0024] 提供一种无机纤维，其用作热绝缘、电绝缘和隔声材料。无机纤维具有1260°C或更 高的连续工作或使用温度。根据其它实施方式，无机纤维具有1400°C或更高的连续工作或 使用温度，同时在某些实施方式中在1400°C仍表现出10%或更小的线性收缩率，在某些实 施方式中在1400°C表现出5%或更小的线性收缩率，或在某些实施方式中在1400°C表现出 4%或更小的线性收缩率，如由在下文中描述的线性收缩率测试方法所测定的。
[0025] 根据某些示例性实施方式，无机纤维在1260°C表现出3%或更低的线性收缩率，以 及在1400°C表现出4%或更小的线性收缩率。
[0026] 为了玻璃状组合物成为用于制备满意的耐高温纤维产物的可行候选物，待制备的 所述纤维必须是能从多成分的熔融物制备得到的，在生理性液体中是充分溶解的，以及在 暴露于所述高工作温度期间和之后能经受高温并具有最小的收缩率以及最小的机械完整 性损失。
[0027] 本发明的无机纤维在生理性液体中是非持久性的。通过在生理性液体中"非持久 性"，意味着所述无机纤维在体外试验期间至少部分地溶解于诸如模拟肺液之类的所述液 体。
[0028] 通过测定在模拟人类肺部中发现的温度和化学条件的条件下从所述纤维损失质 量的速率（ng/cm2-hr)，可测试持久性。该试验由使约0.lg的经除污点的纤维暴露于模拟 的肺部液体（SLF) 6小时组成。该整个测试系统保持在37°C以模拟人体温度。
[0029] 在使所述SLF暴露于所述纤维之后，收集它并使用电感耦合等离子体光谱法分析 玻璃组分。也测定"空白"SLF样品并用于校正存在于所述SLF中的元素。只要获得该数 据，就可能计算在所述研究的时间间隔内纤维损失质量的速率。在模拟的肺部液体中，本申 请纤维相比于通常的耐火陶瓷纤维具有显著更低的持久性。
[0030] "粘度"是指玻璃状熔融物阻抗流动或剪切应力的能力。在确定是否可能纤维化给 定的玻璃状组合物中关键的是粘度-温度关系。最佳的粘度曲线在纤维化温度具有低的粘 度（5-50泊），并且随着温度降低而逐渐增加。如果所述熔融物在纤维化温度下不是足够 粘稠（即太稀)，结果是短的细的纤维，以及高比例的未纤维化的材料(渣球（shot))。如果所 述熔融物在纤维化温度下是过于粘稠，得到的纤维将是极其粗的(高直径）和短的。
[0031] 粘度取决于熔融物化学，其也受到作为粘度调节剂的元素或化合物的影响。粘度 调节剂允许纤维从所述纤维熔融物喷射或纺丝而成。然而，希望的是这样的粘度调节剂的 种类或含量不会对所述喷射或纺丝而成的纤维的溶解度、抗缩性或机械强度产生不利的影 响。
[0032] 检测是否确定的组合物的纤维可在可接受品质水平容易地被制造的方法是确定 所述实验化学品的粘度曲线是否匹配可容易纤维化的已知产物的粘度曲线。可在粘度计上 测定粘度-温度分布，其能在升高的温度下操作。此外，可通过常规实验法，分析检验制备 的纤维的性质（指数、直径、长度)，推导得到适当的粘度分布。玻璃状组合物的粘度对比温 度曲线的形状表示容易，藉此熔融物将被纤维化，从而表示得到的纤维的质量(影响例如纤 维的渣球含量（shotcontent)、纤维直径以及纤维长度)。玻璃在高温度下通常具有低粘 度。随着温度降低，粘度增加。在给定温度下粘度的值将作为所述组成的函数而发生变化， 所述粘度对比温度曲线的整体陡度也会发生变化。
[0033]无机纤维的线性收缩率是在高温度下纤维尺寸稳定性的良好度量手段，或者是在 特定连续工作或使用温度下其性能的良好度量手段。纤维的收缩率的检测可通过将它们形 成垫子并同时针刺所述垫子进入毯子，所述毯子的密度为每立方英尺约8镑，厚度为约1英 寸。此类垫片被切割成3英寸X5英寸的片（pieces)，并将铂针插入所述材料的表面。然 后小心测量并记录这些针的间隔距离。随后将所述垫片放入熔炉，升高温度并在该温度保 持一段固定的时间。加热之后，再次测量所述针间距，以测定所述垫片已经历的线性收缩。 [0034]在一个这样的试验中，小心测量所述纤维片的长度和宽度，并将所述垫片放入熔 炉中，升温至1400°C，保持24、168或672小时。冷却后，测量横向尺寸，并通过比较"之前" 和"之后"的测量来测定所述线性收缩率。如果如果所述纤维可以毯子形式获得，可直接在 所述毯子上进行测量，而无需形成垫片。
[0035]由于所述纤维必须在任何应用中支持其自身重量以及由于使空气或气体移动而 必须能耐磨损，因此机械完整性也是重要的性质。纤维完整性和机械强度的指示通过视觉 和触觉观察、以及在暴露于工作温度之后的纤维的这些性质的机械测定来提供。所述纤维 在暴露至所述使用温度之后保持其完整性的能力还可通过测试压缩强度和压缩复原来在 物理上测定。这些试验分别测定如何可容易地使所述垫片变形以及所述垫片在50%的压缩 之后表现出的回弹(或压缩复原)的量。视觉和触觉观察表明本申请的无机纤维在暴露于至 少1400°C的使用温度之后保持完整并维持其形状。
[0036]所述低收缩率、耐高温无机纤维包括包含作为主要组分的氧化镁和二氧化硅的熔 融物的纤维化产物。通过标准玻璃和陶瓷纤维制造方法制备所述非持久性无机纤维。原材 料是，例如二氧化硅，任意合适的氧化镁源，例如顽火辉石、镁橄榄石、菱苦土、菱镁矿、煅烧 菱镁矿、锆酸镁、方镁石、块滑石或滑石。如果在所述纤维熔融物中包含氧化锆，则将诸如斜 锆石、锆酸镁、锆石或氧化锆之类的任意适当的氧化锆源引入合适的熔炉，在其内它们被熔 融以及使用纤维化喷嘴以分批或连续模式喷射或纺丝。用于制备所述纤维的携带所述氧化 铁的原材料组分可以是橄榄石。