Способ связывания минеральных волокон в продукте из минеральных волокон

Способ связывания минеральных волокон в продукте из минеральных волокон

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу связывания минеральных волокон в материале, состоящем из минеральных волокон, для получения продукта, состоящего из связанных минеральных волокон.

Уровень техники

Минеральные волокна, полученные путем расплава и центрифугирования исходных минеральных веществ, таких как камень, шлак, стекло, керамика и т.п., широко используют для получения матов и покрытий из минеральных волокон, применяемых в основном, для тепло- и звукоизоляции, особенно в строительной индустрии. Такие продукты на основе минеральных волокон обычно содержат связующее, различные типы которого являются известными.

Так, например, известны фенолотверждаемые изоляционные изделия. Фенол является достаточно недорогим и, в то же время, быстро отверждающимся связующим. Фенолотверждаемые изделия являются стойкими к температурам вплоть до 250°С, но связи разрушаются, если температура свыше 250°С поддерживается в течение продолжительного периода времени. При более высоких температурах, 400°С или выше, связующее теряет свою прочность, температура быстро повышается и продукт разрушается. Кроме того, фенолотверждаемые изоляционные изделия выделяют отравляющие газы в процессе горения. Дополнительным и столь же существенным недостатком также является тот факт, что присутствие фенола в продукте приводит к нежелательной нагрузке на окружающую среду, когда содержащий связующее продукт из минеральной ваты подлежит уничтожению после использования.

В качестве связующего также широко использовали жидкое стекло. Жидкое стекло традиционно получают путем расплавления диоксида кремния в виде песка с карбонатом натрия или калия при очень высоких температурах с последующим растворением тонкодисперсного отвержденного продукта в воде. Таким образом, жидкое стекло можно считать экологически приемлемым веществом для включения в качестве связующего в продукты из минеральной ваты. Однако недостатком его является то, что его производство требует чистых исходных веществ и является энергоемким.

Известно также использование в качестве связующего для продуктов из минеральной ваты смеси жидкого стекла и глины, см., например, SE 420 488. Такие продукты, хотя и обеспечивают хорошую водо- и теплостойкость, обладают плохой компрессионной стойкостью, являются хрупкими и вызывают пылеобразование. С другой стороны, ЕР В 466 754 описывает использование связующего, полученного из шлака и жидкого стекла, для получения тепло- и влагостойких изделий из минеральной ваты, способных также выдерживать высокие временные нагрузки.

Публикация международной заявки WO 01/00916 раскрывает связующее для изделий из минеральной ваты, полученное растворением стекловидных мелких частиц минерального вещества в водном растворе с образованием в растворе зародышей кристаллизации и стабилизацией полученного таким путем раствора с получением раствора связующего в форме золя, и применение полученного связующего к минеральным волокнам для их связывания. Водный раствор может быть щелочным или кислотным. Можно либо вызвать загустевание полученного таким образом золя с получением геля до применения, например, изменяя рН или регулируя электростатическое отталкивание между частицами в растворе, либо гелеобразование золя осуществляют после его нанесения на минеральные волокна.

Целью настоящего изобретения является обеспечение простого и экономически привлекательного способа связывания продуктов из минеральной ваты, при этом связующее обладает превосходными связывающими и огнестойкими свойствами и является приемлемым с точки зрения использования и гигиены труда. Важным преимуществом является то, что связующее, используемое в соответствии с настоящим изобретением, не налагает никакой экологической нагрузки на окружающую среду, а содержит только такие компоненты, которые уже по существу присутствуют в продукте из минеральной ваты.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения, таким образом, является способ связывания минеральных волокон в продукте из минеральных волокон, включающий следующие стадии:

(1) разбрызгивание на минеральную вату водного раствора кислоты в количестве, достаточном для растворения минерального вещества из минеральных волокон, с образованием растворенного слоя, содержащего диоксид кремния, на поверхности минеральных волокон; причем значение рН равно или меньше 3;

(2) прерывание растворения минерального волокна путем нагрева полученного продукта минеральной ваты для выпаривания кислоты или путем нейтрализации полученного продукта минеральной ваты, или путем добавления ингибитора отверждения, предпочтительно спирта, такого как полиэтиленгликоль;

(3) отверждение полученного продукта минеральной ваты со стадии 1 для связывания волокон; причем растворенный слой, содержащий диоксид кремния, действует в качестве связующего.

В способе по изобретению кислота представляет собой монокарбоновую кислоту, предпочтительно моноалкановую кислоту. В частности кислоту выбирают из группы, состоящей из муравьиной, уксусной и пропионовой кислоты, предпочтительно используют муравьиную кислоту. Кислоту обычно наносят на минеральную вату в количестве 1-5 мас.% в расчете на сухое вещество минеральной ваты.

Связанный продукт минеральной ваты предпочтительно отверждают при температуре, достаточно высокой для испарения любых летучих веществ.

Водный раствор кислоты также может содержать эмульгированный в нем агент, придающий гидрофобность, предпочтительно силиконовое масло.

Степень растворения минерального вещества из волокон в способе по изобретению можно отслеживать путем измерения рН ваты после нанесения кислоты.

Подробное описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается способ связывания минеральных волокон в продукте из минеральных волокон при помощи связующего, в соответствии с которым связующее образуют in situ на волокнах путем растворения минерального вещества волокон при помощи кислоты, которую наносят на материал минеральных волокон в количестве, достаточном для растворения минерального вещества и для образования на минеральных волокнах содержащего диоксид кремния растворенного слоя, и материал минеральных волокон отверждают для связывания волокон.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением на минеральные волокна воздействуют кислотой, предпочтительно в виде водного раствора, который наносят как таковой на минеральные волокна. При контактировании с силикатным веществом минеральных волокон кислота растворяет слой волокна, образуя содержащий диоксид кремния слой "in situ" на поверхности волокна, в результате гелеобразования которого происходит связывание волокон. В присутствии катионов металлов, например из волокон, такой диоксид кремния может образовывать соли, т.е. силикаты. В отличие от указаний WO 01/00916 нет необходимости в дополнительной предварительной стадии растворения, например, мелких силикатных частиц в водном растворе с образованием золя, который затем наносят на минеральные волокна для получения связывающего эффекта. Таким образом, настоящее изобретение представляет собой значительное улучшение способа связывания минеральных волокон друг с другом, исключающее одну стадию из процесса получения без какого-либо ущерба для свойств связывания.

Водный раствор кислоты может представлять собой водный раствор, который делают кислотным добавлением любой неорганической или органической кислоты, которая является подходящей и является достаточно сильной для растворения минерального вещества с поверхности волокон. Подходящими кислотами являются неорганические кислоты, такие как HCl, HNO₃, H₂SO₄, Н₃РО₄ и т.д. Подходящими органическими кислотами являются, например, необязательно замещенные (например, галогеном, таким как хлор) моно-, ди- или поликарбоновые кислоты, в частности моноалкановые кислоты, содержащие 1-6, предпочтительно 1-3 атома углерода, такие как муравьиная, уксусная или пропионовая кислота, или моноалкеновые кислоты, содержащие 3-6, предпочтительно 3-4 атома углерода, такие как акриловая или метакриловая кислота. Примерами подходящих дикарбоновых кислот являются, например, винная и щавелевая кислота, а примерами подходящих поликарбоновых кислот являются полиакриловая или полиметакриловая кислота. Органическая кислота также может быть ароматической монокарбоновой кислотой, такой как бензойная кислота. Предпочтительные кислоты представляют собой такие, которые легко испаряются из продукта после обработки, например, такие органические кислоты, как муравьиная кислота, уксусная кислота и пропионовая кислота. Из минеральных кислот особенно подходящими являются хлористоводородная кислота и азотная кислота HNO₃.

Кислоту используют в количестве, достаточном для осуществления растворения внешнего слоя минеральных волокон. Такое количество легко определяется специалистом в данной области, и оно зависит от конкретной используемой кислоты и ее концентрации. Обычно подходящим является количество, обеспечивающее примерно 1-5 мас.% кислоты (сухая масса) в расчете на волокна. Кислоту предпочтительно наносят на волокна в форме водного раствора подходящей и желаемой концентрации. Раствор, предпочтительно, разбавляют, но степень разбавления, естественно, зависит от используемой кислоты и может быть рассчитана стехиометрически в зависимости от желаемой толщины растворенного слоя. Типичное разбавление составляет 1-5% кислоты в воде. Количество воды, добавляемой к волокнам, определяется, с одной стороны, желаемой концентрацией раствора, а с другой стороны, необходимостью одновременного удовлетворительного смачивания волокон без включения при этом в продукт избыточного количества воды, которую необходимо будет удалять из продукта на следующей стадии, что приводит к дополнительным затратам или неудобствам. Вместе с кислотой можно использовать смачивающий агент для смачивания поверхности волокон, например поверхностно-активное вещество, такое как Triton Х100 или лаурилсульфат. Также можно усилить эффект кислоты при помощи загустителя, например полимера, такого как крахмал, полиэтиленоксид, полиэтиленгликоль, CMC (карбоксиметилцеллюлоза) или ЕНЕС (этилгидроксиэтилцеллюлоза), который, например, может удерживать влагу и предотвращать слишком быстрое высыхание загустевшего связующего и, таким образом, может быть использован для модификации времени отверждения. Количество включаемых смачивающих агентов и загустителей может быть легко определено специалистом в данной области.

Обычно для достижения желаемого растворения поверхности волокон рН используемой кислоты должен быть ниже или равен рН 6 или, предпочтительно, рН 5, более предпочтительно равен или меньше примерно 3.

Как правило, условия, связанные с нанесением кислоты, включая концентрацию кислоты и температуру, необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить скорость растворения, достаточную для растворения связывающегося количества поверхности волокон в течение заданного периода времени. Такой период времени может варьироваться в зависимости от желаемой толщины растворенного слоя, которая обычно находится в микрометровых пределах, например 0,1 мкм. Такой период времени может, например, составлять до 20 минут, например, когда кислотное связующее наносят непосредственно на минеральную вату, после того как образуют переплетение минеральных волокон в вату. В таких случаях для обеспечения хорошего связывания кислота должна растворить достаточное количество поверхности волокон до отверждения продукта. В случае, когда желательно более интенсивное растворение, указанный период времени может быть увеличен.

В вулканизационной печи сообщаемое тепло удаляет воду и любое остаточное количество кислоты, присутствующее в продукте, при этом процесс связывания останавливается и растворенный диоксид кремния образует гель и высыхает, обеспечивая достаточный эффект связывания.

Помимо отверждения в вулканизационной печи также можно останавливать процесс связывания нейтрализацией кислоты в продукте минеральной ваты, например, подвергая продукт воздействию щелочных условий, например, воздействием газообразного щелочного агента, такого как газообразный аммиак, или используя ингибиторы отверждения, такие как спирты, например полиэтиленгликоль.

В процессе растворения минеральных волокон рН повышается по мере поглощения кислоты. Степень растворения и, таким образом, увеличение силы связывания отслеживают путем наблюдения за изменением рН волокнистого продукта. В упрощенном способе это можно осуществлять путем пропитки репрезентативного количества связанных волокон в воде для измерения рН полученного раствора. Также можно измерять рН непосредственно в продукте просто при контакте продукта с подходящими средствами измерения рН. При таком способе можно, например, остановить реакцию при достижении желаемого уровня рН.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения водный раствор кислоты распыляют непосредственно на переплетенные в вату минеральные волокна после ее получения. Можно также связывать волокна на любой другой стадии обработки продукта минеральных волокон, например, путем разбрызгивания или окунания или пропитки продукта в водном растворе кислоты. В соответствии со следующим вариантом воплощения настоящего изобретения кислота может быть в газообразной форме, при этом пары кислоты конденсируются на волокнах, например, в присутствии паров воды.

Как указано выше, рН раствора кислоты подходящим образом доводят в соответствии с желаемой скоростью реакции. Низкое значение рН приводит к быстрому растворению минерального вещества, а также к более высокой концентрации диоксида кремния в растворенном слое, а также к быстрому гелеобразованию и отверждению раствора диоксида кремния, при этом время гелеобразования зависит от рН, более низкое значение рН приводит к более быстрому гелеобразованию, чем более высокое значение рН. Для широкого ряда минеральных веществ хорошее растворение достигается при значениях рН от 0 до 6.

В процессе получения раствор связующего можно разбрызгивать на вату через насадки центрифуги для связующего, которую используют в производстве минеральных волокон, при этом можно использовать как периферические, так и центральный разбрызгиватели. Также можно использовать два или более разных растворов, наносимых на вату, так, чтобы возможные модифицирующие и/или дополнительные отверждающие агенты подавались через один или несколько разбрызгивателей, а раствор связующего - через отдельный разбрызгиватель.

Однако, как описано выше, также можно наносить раствор связующего на вату на последующей стадии производства изоляционного материала, например, разбрызгиванием на исходно полученное переплетение волокон на конвейере или даже на более поздней стадии. Также можно наносить дополнительное связующее на такой отдельной и поздней стадии, получая, таким образом, материал с улучшенной стойкостью и/или прочностью. Материалу можно придать специальные свойства путем нанесения на переплетенные волокна дополнительных добавок.

В продуктах из минеральных волокон можно использовать дополнительные добавки, такие как дополнительные отверждающие, модифицирующие, пылесвязывающие и придающие гидрофобность агенты.

В соответствии с настоящим изобретением дополнительный отверждающий агент может состоять из минеральных солей и соединений, подходящих сложных эфиров или спиртов, или их сочетания. Минеральные соли могут представлять собой, например, соли или соединения магния, алюминия или кальция. Подходящей кислотой является, например, фосфорная кислота. Можно также использовать буферные отверждающие агенты для регулирования времени хранения. Дополнительный отверждающий агент может представлять собой комбинацию указанных выше отверждающих агентов.

Как кратко описано выше, в продукте минеральных волокон, полученном в соответствии с настоящим изобретением, можно также использовать различные модификаторы, такие как органические и неорганические полимеры, целлюлоза и силиконы, такие как силиконовые органические полимеры. Также можно использовать мономеры, полимеризованные, например, изменением рН или повышением температуры в процессе полимеризации. При помощи модификаторов можно, например, улучшать такие свойства связующего, как эластичность, водостойкость, стойкость к обуглероживанию и т.д.

В качестве пылесвязывающих агентов можно использовать спирты, полиолы, полимеры, гелеобразующие полимеры, воски, смолы, масла, жиры, парафины и т.д. Задачей пылесвязывающего агента является связывание вместе любой пыли или связывание пыли на основной матрице либо физически (пленкообразование), либо химически (поверхностно-активные свойства). Когда используют высокотемпературное отверждение, можно использовать плавящиеся пылесвязывающие агенты, например стеараты, или отверждающие пылесвязывающие агенты, образующие пленку на матрице. Большое количество пылесвязывающих агентов одновременно обладают водоотталкивающим эффектом.

Задачей придающего гидрофобность агента является предотвращение проникновения в продукт воды и влаги. В качестве гидрофобных агентов можно использовать силаны, силиконы, масла, различные гидрофобные соединения и гидрофобный крахмал.

Было обнаружено, что особенно предпочтительным пылесвязывающим и придающим гидрофобные свойства агентом является композиция полибутен-силан. Полибутеновая составляющая действует как связующее пыли, и силан действует как агент, придающий гидрофобные свойства.

Такие добавки предпочтительно добавляют в виде эмульсии, при этом эмульсия разрушается при более высоких температурах, высвобождая при этом различные добавки на подходящей стадии процесса получения. Например, при таком способе ингибиторы отверждения могут высвобождаться для действия в подходящее и желаемое время в процессе получения.

В соответствии с данным изобретением совместимые соединения можно смешивать заранее, тогда как несовместимые соединения необходимо смешивать непосредственно перед применением или нанесением через отдельные насадки.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют данное изобретение, не ограничивая его каким-либо образом.

Пример

10,7 г раствора муравьиной кислоты 85% концентрации разбавляли до 500 мл, обеспечивая, таким образом, водный раствор муравьиной кислоты примерно 2% концентрации. Образец минеральной ваты массой 910 г разделяли на отдельные слои. На слой распыляли раствор, после чего свежий слой накладывали на слой с нанесенным раствором и на этот слой также напыляли покрытие. На каждый слой напыляли раствор кислоты в таком количестве, чтобы общее количество раствора кислоты, поглощаемое образцом минеральной ваты, составляло 500 мл. Эту процедуру продолжали вплоть до поочередного присоединения друг к другу и опрыскивания всех слоев раствором кислоты. Полученный таким образом продукт, состоящий из минеральных волокон, затем отверждали в течение 5 минут в вулканизационной печи при температуре 190°С. Получали прочно связанный, с хорошим сцеплением продукт.

1. Способ связывания минеральных волокон в продукте из минеральных волокон, включающий следующие стадии:

(1) разбрызгивание на минеральную вату водного раствора кислоты в количестве, достаточном для растворения минерального вещества из минеральных волокон, с образованием растворенного слоя, содержащего диоксид кремния, на поверхности минеральных волокон, причем значение рН равно или меньше 3;

(2) прерывание растворения минерального волокна путем нагрева полученного продукта минеральной ваты для выпаривания кислоты, или путем нейтрализации полученного продукта минеральной ваты, или путем добавления ингибитора отверждения, предпочтительно спирта, такого как полиэтиленгликоль; и

(3) отверждение полученного продукта минеральной ваты со стадии 1 для связывания волокон; причем растворенный слой, содержащий диоксид кремния, действует в качестве связующего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислота представляет собой монокарбоновую кислоту, предпочтительно. моноалкановую кислоту.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что кислоту выбирают из группы, состоящей из муравьиной, уксусной и пропионовой кислоты.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что кислота представляет собой муравьиную кислоту.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на минеральную вату наносят 1-5 мас.% кислоты в расчете на сухое вещество минеральной ваты.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что связанный продукт минеральной ваты отверждают при температуре, достаточно высокой для испарения любых летучих веществ.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что водный раствор кислоты содержит эмульгированный в нем агент, придающий гидрофобность, предпочтительно силиконовое масло.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что степень растворения минерального вещества из волокон отслеживают путем измерения рН ваты после нанесения кислоты.