專利名稱：雙玻璃纖維保溫產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦物纖維棉，更進(jìn)一步地說(shuō)涉及玻璃纖維保溫產(chǎn)品。本發(fā)明還涉及玻璃纖維保溫產(chǎn)品的制造。
小徑玻璃纖維可以用于多種應(yīng)用中，包括隔音或隔熱材料。當(dāng)將這些小徑玻璃纖維適當(dāng)組合成網(wǎng)格或棉氈(通常稱為棉塊)時(shí)，單個(gè)缺乏強(qiáng)度或剛度的玻璃纖維可以形成十分強(qiáng)有力的產(chǎn)品。所制得的玻璃纖維保溫材料重量輕、耐高壓且具有彈性。就本專利說(shuō)明書來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“玻璃纖維”和“玻璃組合物”中的“玻璃”將包括任何玻璃類礦物材料，如巖石，礦渣和玄武巖，以及傳統(tǒng)的玻璃。用于生產(chǎn)玻璃纖維保溫產(chǎn)品的普通現(xiàn)有技術(shù)方法包括由旋轉(zhuǎn)法生產(chǎn)玻璃纖維。將單一熔融玻璃組合物強(qiáng)迫通過離心或旋轉(zhuǎn)噴頭外壁中的孔，產(chǎn)生主要是直的玻璃纖維。通過吹氣機(jī)向下拉伸纖維。當(dāng)將纖維向下拉伸時(shí)，將用來(lái)將這些纖維粘結(jié)成棉產(chǎn)品的粘結(jié)劑噴射到這些纖維上。然后將這些纖維收集起來(lái)并形成棉塊。
當(dāng)形成玻璃纖維保溫產(chǎn)品時(shí)，理想的保溫材料是在這些纖維之間具有均勻的間隙。保溫材料主要是網(wǎng)格，用于將空氣限制在纖維之間并由此防止空氣移動(dòng)。該網(wǎng)格還可以通過發(fā)散輻射而阻止熱傳遞。具有更加均勻間隙的纖維將使發(fā)散達(dá)到最大，因而具有更大的保溫能力。
在生產(chǎn)玻璃纖維棉保溫材料過程中，必需采用相對(duì)短的纖維。長(zhǎng)纖維相互之間會(huì)纏繞，形成繩或線。這些繩導(dǎo)致了與理想均勻網(wǎng)格的偏移并且降低了玻璃棉的保溫能力。但是，直線的短纖維僅僅形成任意的網(wǎng)格，有些纖維相互成束。很顯然現(xiàn)有的玻璃棉保溫材料產(chǎn)品中的纖維分布明顯不均勻。因此不能得到理想的均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
此外，當(dāng)采用直纖維時(shí)，必需向纖維中加入有機(jī)粘結(jié)劑材料。該粘結(jié)劑通過在纖維與纖維的界面處粘結(jié)而使產(chǎn)品保持在一起。除了該粘結(jié)劑本身昂貴之外，還必需花很大的精力來(lái)處理從制造工藝中排放的流出物，其原因在于大多數(shù)有機(jī)化合物均對(duì)環(huán)境有不利影響。另外，該粘結(jié)劑必需要用爐子來(lái)固化，需要采用額外的能量并且產(chǎn)生其它的環(huán)境清除成本。
現(xiàn)有的保溫產(chǎn)品所存在的另一個(gè)問題是某些玻璃纖維在接觸時(shí)會(huì)刺激人的皮膚，尤其是當(dāng)該纖維的直徑太大時(shí)。此外如果玻璃纖維是脆性的，纖維的斷裂將會(huì)使該保溫產(chǎn)品起塵。
在運(yùn)輸和包裝保溫材料中，高可壓性是優(yōu)選的。合適的是將棉壓制以供運(yùn)輸，然后能很快地將它恢復(fù)并且穩(wěn)定在所需要的尺寸上?，F(xiàn)有的保溫產(chǎn)品在可壓制量方面是有限的，盡管它們?nèi)匀豢梢垣@得合適的恢復(fù)。當(dāng)將該產(chǎn)品壓制時(shí)，粘結(jié)劑保持固定，同時(shí)纖維本身屈服。當(dāng)纖維上的壓力由于過分加壓而增加時(shí)，纖維會(huì)斷裂。
在現(xiàn)有技術(shù)中，人們已經(jīng)在嘗試生產(chǎn)非直線玻璃纖維。在機(jī)械紐結(jié)工藝中，玻璃纖維從織物套中拉出。當(dāng)仍然處于高溫時(shí)，利用機(jī)械裝置通過一系列相對(duì)的齒輪或卷曲裝置拉伸纖維，從而使其變細(xì)和卷曲。其結(jié)果是一束紐結(jié)的玻璃纖維。
機(jī)械紐結(jié)的主要缺點(diǎn)是纖維不能有助于令人滿意的玻璃棉生產(chǎn)。以這種方式制成的每一根纖維具有均勻的形狀，不能達(dá)到紐結(jié)目的，其原因在于所制得的玻璃棉不具有均勻的分布。此外由于該工藝是非旋轉(zhuǎn)的，其產(chǎn)量低，不能令人滿意，而且所制得的纖維對(duì)于棉保溫材料來(lái)說(shuō)太粗。
Stalego在USP2998620中公開了雙組分玻璃組合物的卷曲玻璃纖維。Stalego指出通過將具有不同熱膨脹性的兩種玻璃組合物通過旋轉(zhuǎn)噴頭的孔而生產(chǎn)定長(zhǎng)卷曲纖維。將這些玻璃作為兩個(gè)玻璃流以對(duì)準(zhǔn)的整體關(guān)系擠出，從而在冷卻時(shí)由于不同的熱膨脹性而使這些纖維自然卷曲。但是，Stalego指出在成紗過程，如紡成織物或作為燒制陶器和粘土中的加強(qiáng)材料，中使用卷曲的纖維。Stalego沒有公開在保溫產(chǎn)品中采用卷曲的纖維。
Tiede在USP3073005中公開了一種非旋轉(zhuǎn)的工藝用于制造雙組分卷曲玻璃纖維。通過將兩種不同的玻璃組合物以側(cè)面與側(cè)面相接觸的方式送入孔中而形成該纖維，從而使這兩種玻璃變細(xì)形成單一纖維。Tiede指出在織物生產(chǎn)以及緩沖和漂浮材料中采用這種玻璃。Tiede沒有公開由卷曲玻璃纖維制成的保溫產(chǎn)品。
Slyter等人在USP2927621中還公開了卷曲纖維的制造過程中。在Slyter中，單一玻璃組合物的玻璃纖維在利用熱氣使該纖維軟化以后通過相對(duì)的弧形裙。隨后，這些纖維獲得該裙的弧形形狀。但是厚長(zhǎng)的纖維不適用于保溫材料。另外，所制得的纖維用于過濾介質(zhì)中，另外，其上還施加了粘結(jié)劑。
因此，人們需要一種經(jīng)過改進(jìn)的具有均勻體積填充性能的棉保溫材料，該性能使得該棉保溫材料具有改進(jìn)的恢復(fù)性和較低的導(dǎo)熱性并且無(wú)需采用粘結(jié)劑即可使用。另外，解決現(xiàn)有的玻璃纖維保溫產(chǎn)品的刺激和起塵問題將是有益的。
這一需要通過本發(fā)明可以滿足，在本發(fā)明中保溫產(chǎn)品由不規(guī)則形狀的礦物纖維制成。通過采用不規(guī)則的、而不是直的、紐結(jié)的或甚至卷曲的纖維，可以獲得很均勻的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)均勻的體積填充。均勻性增加可以獲得較高的恢復(fù)比。更為重要的是，均勻的體積填充可以導(dǎo)致導(dǎo)熱性明顯降低。此外，不規(guī)則形狀纖維的進(jìn)一步纏繞可以使棉塊獲得足夠的整體性，而無(wú)需采用有機(jī)粘結(jié)劑。所謂足夠的整體性是指棉氈的纖維在將8英尺(2.4米)棉氈以其自重沿長(zhǎng)度或沿寬度懸掛時(shí)會(huì)保持纏繞而不會(huì)分離。這些方向分別是指機(jī)器方向或橫向方向。但是，如果需要的話，可以將粘結(jié)材料加入以使該棉保溫材料的強(qiáng)度增加。另外，本發(fā)明的纖維的不規(guī)則形狀可以使產(chǎn)品不易引起刺激并且使產(chǎn)品很少起塵。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，它提供了一種不規(guī)則形狀的玻璃纖維以及由不規(guī)則形狀的玻璃纖維組成的保溫產(chǎn)品。不規(guī)則形狀玻璃纖維保溫產(chǎn)品具有基本上均勻的體積填充性能。另外，不規(guī)則形狀的玻璃纖維優(yōu)選地是沒有粘結(jié)劑的。術(shù)語(yǔ)“沒有粘結(jié)劑”是指粘結(jié)劑材料占該產(chǎn)品重量的1％以下或等于1％。另外，術(shù)語(yǔ)“粘結(jié)劑”不包括用于抑制起塵或潤(rùn)滑而加入的材料。每一根不規(guī)則形狀的玻璃纖維有兩種熱膨脹系數(shù)不同的玻璃組合物組成。兩種玻璃組合物之間的熱膨脹系數(shù)的差優(yōu)選地高于約2.0ppm/℃(每百萬(wàn)分之一份)，更優(yōu)選地高于約4.0ppm/℃，最優(yōu)選地為高于約5.0ppm/℃。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，而提供了不規(guī)則形狀的玻璃纖維保溫產(chǎn)品，該保溫產(chǎn)品具有基本均勻的體積填充性能，其中，在加壓至壓制比重約6-18pcf(每立方英尺磅)(96-288Kg/m3)之后，該產(chǎn)品的恢復(fù)比重在約0.3-0.6pcf(每立方英尺磅)(4.8-9.6Kg/m3)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，它提供了由具有基本均勻的體積填充性能的不規(guī)則形狀玻璃纖維組成的棉保溫材料，其中每一根不規(guī)則形狀的玻璃纖維由至少第一種玻璃組合物和第二種玻璃組合物組成。第一種玻璃組合物通常占每一根纖維玻璃總量的約15％-85％。第二種玻璃組合物為每一根纖維的玻璃含量的余量。小部分纖維是單組份的。


圖1是可用于制造本發(fā)明的保溫材料的熱定型工藝的正視圖。
圖2是可用于制造本發(fā)明的保溫材料的直接成形工藝的透視圖。
圖3是可用于本發(fā)明的保溫產(chǎn)品的一個(gè)方案的透視圖。
圖4是可用于制造本發(fā)明的纖維的成纖器的正視圖。
圖5是沿5-5線獲得的圖4中的旋轉(zhuǎn)噴頭部分的平面圖。
圖6是沿6-6線獲得的圖5中的旋轉(zhuǎn)噴頭的正視圖。
圖7是具有50∶50A/B玻璃比值的本發(fā)明不規(guī)則玻璃纖維的截面圖。
圖8是具有低于50∶50A/B玻璃比值的不規(guī)則玻璃纖維的示意圖。
圖9是現(xiàn)有技術(shù)的螺旋玻璃纖維的透視圖。
圖10是處于自然非限制狀態(tài)的本發(fā)明的不規(guī)則形狀的玻璃纖維的透視圖。
圖11是處于延伸狀態(tài)的圖10中的纖維透視圖。
圖12是圖10的不規(guī)則形狀的玻璃纖維的透視圖的人為放大的示意圖。
圖13是沿著螺旋纖維(112)和不規(guī)則的形狀纖維(122)的Y軸的旋轉(zhuǎn)R的數(shù)量圖，X軸表示纖維長(zhǎng)度(毫米)。
本發(fā)明的不規(guī)則形狀的玻璃纖維保溫產(chǎn)品可以由如圖1所示的旋轉(zhuǎn)纖維成型和塊熱定型法來(lái)制造。
參見圖1，可以看出兩種不同的熔融玻璃組合物通過工作區(qū)12由窯爐10送入成纖器14。由成纖器形成的不規(guī)則形狀玻璃纖維簾18通過位于傳送機(jī)下面的真空作為棉塊20收集在傳送機(jī)16上。當(dāng)纖維通過在成纖器中的吹頭22利用空氣或氣體向下吹落在傳送機(jī)上時(shí)，它們會(huì)變細(xì)并且形成不規(guī)則的形狀。
然后在加熱定型溫度700-1100°F(371-593℃)下將棉塊通過爐24。通過將在纖維形成之后的冷卻工藝延遲從而從纖維形成工藝中獲得部分熱量，或者通過在熱定型爐中重新加熱該纖維可以獲得熱定型溫度。在爐中通過的同時(shí)，利用上輸送機(jī)26和下輸送機(jī)28以及導(dǎo)邊器(未示出)形成棉塊。在爐中時(shí)，可以將熱氣流加到玻璃纖維上以促進(jìn)均勻加熱。在經(jīng)過十分鐘以下的一段時(shí)間以后，該棉塊作為保溫產(chǎn)品30而離開爐子。
當(dāng)利用傳送機(jī)26和28將玻璃纖維限制成保溫產(chǎn)品的形狀時(shí)，這些纖維以加壓彈簧的方式被壓制。當(dāng)受壓纖維遇到熱定型溫度時(shí)，玻璃纖維發(fā)生松馳(可以通過蠕動(dòng)機(jī)構(gòu))，結(jié)果使壓力基本上釋放。一旦取消限制，棉塊不會(huì)膨脹而保持所需的形狀。由于在冷卻時(shí)纖維會(huì)彎曲，它們會(huì)進(jìn)一步發(fā)生纏繞從而提高了保溫產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)整體性。
應(yīng)該明白熱定型是本發(fā)明的一個(gè)任選方面。其它用于保溫產(chǎn)品的制造技術(shù)包括縫合、針扎、氫化纏繞以及包封。
參見圖2，它描述了一種新型直接成型工藝，通過該工藝可以制造本發(fā)明的保溫產(chǎn)品。在成纖器40中制造不規(guī)則形狀的玻璃纖維。玻璃纖維簾42通過成纖器中的吹頭向下吹落并且在1100°F(593℃)的溫度下收集在相對(duì)的向下收縮的收集輸送機(jī)44上。將所收集的纖維通過熱定型，如塊成形和熱定型輸送機(jī)46，纖維在其中在約700-1100°F(371-593℃)的溫度下形成保溫產(chǎn)品。該熱定型爐或熱定型輸送機(jī)優(yōu)選地確定了預(yù)定的截面形狀。用于在爐中熱定型纖維的熱量可以通過任何一種合適的裝置來(lái)提供，例如通過與熱氣體源(未示出)相連的熱空氣通道47，而適于將加熱的氣體縱向通過棉塊48。
在本發(fā)明的一個(gè)特別方面，攔截輸送機(jī)是穿孔的或帶孔的，隨著纖維簾流動(dòng)的氣體通過該攔截輸送機(jī)排出，從而使氣體與纖維分離。這些氣體含有相當(dāng)多的熱能，優(yōu)選地通過通道49將排出氣體中的主要部分由該攔截輸送機(jī)輸送到該攔截輸送機(jī)的上面，以保存熱能。理想的，這種排出氣體的再循環(huán)將使離開攔截輸送機(jī)的玻璃纖維保持在約400-900°F(204-482℃)的溫度下。來(lái)自爐子的廢熱氣也可以通到攔截輸送機(jī)的上邊。
由該熱定型輸送機(jī)的成型和熱定型區(qū)，將保溫產(chǎn)品通向包封模具50，保溫產(chǎn)品在這里可以用任何一種合適的膜，如薄膜52包封起來(lái)。此外，在包裝之前可以將移動(dòng)的產(chǎn)品切割成單件，如保溫氈。可以利用任何一種合適的裝置，如打卷裝置54將產(chǎn)品包裝起來(lái)。
參見圖3，本發(fā)明的保溫產(chǎn)品可以是棉氈56的形式，它由不規(guī)則形狀玻璃纖維組成。該棉氈上可以覆蓋外面層58，許多種面層是本領(lǐng)域已知的。
如圖4中所示，旋轉(zhuǎn)噴頭60由旋轉(zhuǎn)噴頭底壁62和旋轉(zhuǎn)噴頭周壁64組成。該旋轉(zhuǎn)噴頭在心軸66上旋轉(zhuǎn)，正如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)使熔融玻璃離心通過旋轉(zhuǎn)噴頭周壁而形成初級(jí)纖維68。該初級(jí)纖維通過管狀燃燒器70的熱量而保持在柔軟易變細(xì)的狀態(tài)下。在本發(fā)明的一個(gè)方案中采用一種內(nèi)部燃燒器(未示出)向旋轉(zhuǎn)噴頭的內(nèi)部提供熱量。管狀吹頭72采用強(qiáng)制空氣74，用來(lái)將初級(jí)纖維拉絲并進(jìn)一步使之變細(xì)成為二級(jí)纖維76，該纖維適用于棉保溫材料。然后將二級(jí)纖維或雙玻璃不規(guī)則形狀的玻璃纖維收集起來(lái)用于形成棉塊。
該旋轉(zhuǎn)噴頭的內(nèi)部供以兩股分開的熔融玻璃液流，第一股液流78含有玻璃A而第二股液流80含有玻璃B。在液流78中的玻璃直接落在旋轉(zhuǎn)噴頭底壁上，并且由于離心力而朝著旋轉(zhuǎn)噴頭周壁向外流動(dòng)形成玻璃A頭。在熔融玻璃液流80中的玻璃B比液流78更靠近旋轉(zhuǎn)噴頭周壁，液流80中的玻璃在到達(dá)旋轉(zhuǎn)噴頭底壁之前被水平側(cè)板82攔截。因此，在水平側(cè)板的上面形成了玻璃壁堆積體或頭。
如圖5中所示，旋轉(zhuǎn)噴頭上有垂直內(nèi)壁84，它通常是圓形的并且位于旋轉(zhuǎn)噴頭周壁徑向里面。一系列位于旋轉(zhuǎn)噴頭周壁和垂直內(nèi)壁之間的垂直擋板86將空間分成多個(gè)腔88。交替的腔含有玻璃A或玻璃B。
該旋轉(zhuǎn)噴頭周壁配有孔90，它們位于垂直擋板的徑向外端附近。這些孔的寬度大于垂直擋板的寬度，從而使玻璃A和玻璃B從這些孔中作為單個(gè)雙玻璃初級(jí)纖維流出。正象在圖6中所看到的那樣，每個(gè)腔88占有旋轉(zhuǎn)噴頭周壁64的整個(gè)高度，孔沿著分開該腔室的整個(gè)垂直擋板分布。也可以采用其它的旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)來(lái)向旋轉(zhuǎn)噴頭孔提供雙股玻璃。
本發(fā)明的不規(guī)則形狀的纖維是雙玻璃纖維，即每一根纖維由兩種不同的玻璃組合物，玻璃A和玻璃B組成。如果獲得本發(fā)明理想的不規(guī)則的形狀的玻璃纖維的橫截面，則該纖維的一半是玻璃A，另一半是玻璃B。實(shí)際上，在棉保溫材料中(或者甚至是在單根纖維的長(zhǎng)度上)，在各種不規(guī)則形狀的玻璃纖維中可能會(huì)存在多種比例數(shù)量的玻璃A或玻璃B。在單根不規(guī)則形狀的玻璃纖維中，玻璃A的百分比可以在總玻璃的約15％-85％的范圍內(nèi)變化，而總玻璃的余量為玻璃B。通常，不規(guī)則形狀的纖維的保溫材料將由所有不同百分比組合的玻璃A和玻璃B組成，包括一小部分是單組分的纖維。
用于測(cè)定玻璃A和玻璃B的比例的方法包括檢查多根纖維的橫截面。如果A/B比為50∶50，兩種玻璃，玻璃A94和玻璃B96的界面92將經(jīng)過纖維橫截面的中心98，如圖7中所示。通常兩種玻璃之間的界面是一根不經(jīng)過纖維橫截面中心的線。如圖8中所示，玻璃A104和玻璃B106之間的界面102不經(jīng)過纖維的中心108。
通過將一束纖維放在環(huán)氧樹脂中使纖維方向盡可能平行，可以獲得纖維的橫截面圖。然后用金剛石鋸片將該環(huán)氧樹脂柱橫切，將其中一個(gè)新表面用各種研磨介質(zhì)拋光。將經(jīng)過拋光的樣品表面用薄碳層涂覆，從而產(chǎn)生一種導(dǎo)電的樣品，用于進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析。然后在SEM下利用背散射電子探測(cè)器對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，它顯示了平均原子數(shù)的差異(作為灰度中的差異)。該分析結(jié)果通過在該纖維橫截面上的較黑區(qū)和較亮區(qū)而表明存在兩種玻璃，并且顯示了這兩種玻璃的界面。
“偏差比”是指r與R的比值(以百分比表示)，其中R是纖維橫截面的半徑，r是纖維中心與這兩種玻璃界面之間的最近距離。當(dāng)該纖維玻璃界面不是圓形的時(shí)，半徑通過垂直于該界面而測(cè)定。當(dāng)該界面是曲線的時(shí)，用一根直線來(lái)近似。
偏差比是衡量A/B玻璃比偏離50∶50有多遠(yuǎn)的一個(gè)測(cè)定值。該偏差離50∶50越大，r越大(作為R的百分比)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的不規(guī)則形狀的玻璃纖維的平均偏差比典型地大于約5％，通常大于約15％，在許多情況下為大于約30％。
雙玻璃纖維由于兩種玻璃熱膨脹系數(shù)的差異而具有彎曲特性。當(dāng)雙玻璃纖維冷卻時(shí)，一種玻璃組合物比另一種玻璃組合物收縮更快。結(jié)果在纖維上產(chǎn)生了應(yīng)力。為了減輕這些應(yīng)力，纖維必須彎曲，如果在纖維中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，將會(huì)產(chǎn)生具有通常穩(wěn)定的曲率半徑的平坦線圈，該線圈在一個(gè)平面中，例如在鐘簧中。雙玻璃纖維的旋轉(zhuǎn)可以通過參照位于這兩種玻璃組份之間的沿該纖維的界面而測(cè)定。為了避免該平面，必須引起部分旋轉(zhuǎn)。纖維的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生具有恒定間隔的螺旋線。形成該螺旋線的纖維具有恒定的旋轉(zhuǎn)方向-要么是順時(shí)針的，要么是逆時(shí)針的。該螺旋線還具有通常恒定的曲率半徑。圖9表示了現(xiàn)有技術(shù)的螺旋纖維112的三維投影示意圖。為了有助于觀察，加上了在平坦表面上由于頂光而形成的纖維的陰影114。
本發(fā)明的不規(guī)則形狀的纖維不同于螺旋纖維，其區(qū)別在于該纖維的旋轉(zhuǎn)不是恒定的，而是在方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)以及在程度上不規(guī)則地變化。纖維的旋轉(zhuǎn)程度是單位長(zhǎng)度的纖維發(fā)生纖維旋轉(zhuǎn)的速度。該彎曲通常是恒定的，它取決于熱膨脹系數(shù)的差異以及A/B比例。圖10表示了本發(fā)明的不規(guī)則纖維122的三維投影，為了有助于觀察，加上了在平坦表面上由于頂光而形成的纖維的陰影124。當(dāng)將纖維122置于張力下時(shí)，帶張力的纖維122A和陰影124A表明該纖維的不規(guī)則性被保留，如圖11中所示。
如圖12中所示，不規(guī)則纖維112B是通過將厚度放大并且加入分段線而人為放大的圖10的纖維122，以更好地顯示透視性。
由于不斷變化的拉伸環(huán)境，每一根不規(guī)則形狀的纖維均以特有的方式卷曲。沒有兩根纖維是完全相同的。纖維的最終形狀由于雙玻璃特性而具有一個(gè)基本曲線，該形狀由于因不斷變化或隨機(jī)的拉絲環(huán)境而引起的曲線。平面的卷曲、不規(guī)則旋轉(zhuǎn)而有所改變。該纖維的基本曲線通過三維而扭曲。它通常不是螺旋的。纖維的不規(guī)則性能使不規(guī)則形狀的玻璃纖維相互分開并且達(dá)到均勻的體積填充性能。另外，由不規(guī)則形狀的玻璃纖維制成的棉保溫材料不象用主要是直的纖維制成的棉保溫材料那樣對(duì)皮膚有刺激(不發(fā)癢)并且不會(huì)起塵。
不規(guī)則形狀的纖維的特征可以采用方向矢量分析來(lái)分析。利用從兩個(gè)不同角度(分開90度)獲得的照片產(chǎn)生描述不規(guī)則形狀的纖維在三維空間的行徑的坐標(biāo)。將該坐標(biāo)調(diào)整從而產(chǎn)生沿著纖維的長(zhǎng)度方向在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間有相等的三維距離，由此產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)整的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)(ACD)。對(duì)每一個(gè)ACD如下所說(shuō)計(jì)算三個(gè)矢量Vi＝纖維方向矢量(由一個(gè)ACD指向下一個(gè)ACD的單位矢量)Fi＝相對(duì)于ACD間距離間隔的Vi的一次導(dǎo)數(shù)矢量。Si＝相對(duì)于ACD間距離間隔的Vi的二次導(dǎo)數(shù)矢量。對(duì)于任何給定的ACD的旋轉(zhuǎn)程度Ri如下Ri＝Si·Ui(矢量點(diǎn)積)，其中 (矢量叉積)Ui是垂直于含有Vi和Vi-1的平面的單位矢量。
如圖13所示，可以將旋轉(zhuǎn)的程度R(Y軸)作為沿纖維長(zhǎng)度(X軸)的距離的函數(shù)而畫圖。該圖顯示了在圖10中所示的不規(guī)則纖維(纖維A)以及圖9中所示的螺旋纖維(纖維B)的旋轉(zhuǎn)程度。圖13中的數(shù)據(jù)已經(jīng)采用5點(diǎn)加權(quán)移動(dòng)平均數(shù)而平滑化，以降低由于導(dǎo)數(shù)方法而增強(qiáng)的噪音。由圖中可以看出本發(fā)明的非限制不規(guī)則形狀的纖維(纖維A)的旋轉(zhuǎn)在沿著該纖維長(zhǎng)度方向的程度和正負(fù)號(hào)上不規(guī)則變化。對(duì)于5微米直徑的纖維A來(lái)說(shuō)，交叉點(diǎn)(即旋轉(zhuǎn)改變符號(hào)時(shí))以每厘米約1的頻率發(fā)生。與其相反，螺旋纖維(纖維B)在相同的長(zhǎng)度之間沒有交叉點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為對(duì)于5微米直徑的纖維來(lái)說(shuō)，每厘米本發(fā)明的不規(guī)則形狀的纖維的交叉點(diǎn)數(shù)至少為0.3，很可能在約0.5-5.0范圍內(nèi)。另一種分析纖維不規(guī)則性的方法是計(jì)算平均旋轉(zhuǎn)程度和沿纖維長(zhǎng)度方向的旋轉(zhuǎn)程度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。參見圖13，螺旋纖維(纖維B)的旋轉(zhuǎn)程度R的平均值遠(yuǎn)高于0(或反向旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)低于0)。螺旋線的旋轉(zhuǎn)程度R的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于旋轉(zhuǎn)程度R的平均值。在圖13中，標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均旋轉(zhuǎn)程度的比值對(duì)于螺旋纖維(纖維B)來(lái)說(shuō)為0.25。
與其相反，對(duì)于本發(fā)明的不規(guī)則形狀的纖維(纖維A)來(lái)說(shuō)，平均旋轉(zhuǎn)程度R非常小，通常接近零。旋轉(zhuǎn)程度的標(biāo)準(zhǔn)偏差如果不是明顯高于平均旋轉(zhuǎn)程度R的話，至少可以與平均旋轉(zhuǎn)程度R相比。優(yōu)選地該比值大于約0.75。更優(yōu)選地，大于1.0，最優(yōu)選地為大于5.0。標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均旋轉(zhuǎn)程度的比值對(duì)于纖維A來(lái)說(shuō)為8.3。
纖維的不規(guī)則形狀使棉保溫材料產(chǎn)生非常均勻的體積填充性能?，F(xiàn)有技術(shù)的主要是直的纖維隨機(jī)分布的棉塊中。它們?cè)隗w積填充方面不是均勻的。所謂均勻體積填充是指纖維有擴(kuò)散并且以均勻方式填充在對(duì)于它們來(lái)說(shuō)可以獲得的整個(gè)體積中的傾向。更加均勻的體積填充性能使得人們可以更加有效地利用玻璃纖維來(lái)防止熱量流動(dòng)。
X射線計(jì)算機(jī)層面照相術(shù)(CAT掃描)試驗(yàn)表明，由于它們自然的分開傾向，用于本發(fā)明的不規(guī)則形狀的纖維比現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維產(chǎn)生更加均勻的體積填充性能。在棉塊比重的CAT掃描試驗(yàn)中，現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維棉塊顯示出差不多是不規(guī)則形狀的纖維塊的兩倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，在由不規(guī)則形狀的纖維制成的棉塊中比重的變化量明顯降低，這表明基本上均勻的體積填充性能。
棉保溫材料的均勻體積填充性能還可以通過測(cè)量它們的導(dǎo)熱率而表現(xiàn)。利用它們阻止熱流動(dòng)的能力可以評(píng)價(jià)建筑保溫材料?？篃崃鲃?dòng)性或R值是最常見的測(cè)量保溫產(chǎn)品阻止熱量從一種結(jié)構(gòu)流動(dòng)的能力的測(cè)量手段。R-值由下列等式確定R＝t/k，其中R-值是以小時(shí)英尺2°F/Btu(m2℃/瓦特)為單位的抗熱流動(dòng)性；t是以英寸(mm)為單位的恢復(fù)厚度；k是以Btu英寸/小時(shí)英尺2°F(瓦特/m℃)為單位的熱導(dǎo)率。
熱導(dǎo)率或k值是測(cè)定材料的導(dǎo)熱能力的一個(gè)手段。因此材料的k值越低，該材料則是更好的絕熱體。此外，該材料的網(wǎng)格越均勻，該材料的絕熱能力越大。因此，熱導(dǎo)率是測(cè)量保溫材料的均勻體積填充性能的一個(gè)測(cè)定值。
本發(fā)明的保溫產(chǎn)品在相同的產(chǎn)品比重和纖維直徑下可以使k值比現(xiàn)有技術(shù)明顯降低。對(duì)于在0.3-0.6pcf(4.8-9.6Kg/m3)的固定產(chǎn)品比重和固定的纖維直徑下的棉保溫材料來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的棉氈其k值比現(xiàn)有技術(shù)中最好的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品低10-17k點(diǎn)。在該比重下，一個(gè)k點(diǎn)或千分之一k相當(dāng)于獲得相同熱性能所需的約1/2％玻璃纖維比重。因此本發(fā)明的棉保溫材料大約比現(xiàn)有材料少需要5- 的玻璃就可以獲得相同的k值并且產(chǎn)生相同的R值。在中等或高比重的保溫材料中可以看到相當(dāng)?shù)闹亓抗?jié)省。本發(fā)明的保溫產(chǎn)品在0.5pcf(8.0Kg/m3)和在5微米的有效纖維直徑下優(yōu)選地具有低于約0.300Btu英寸/小時(shí)英尺2°F/(0.0432瓦特/m℃)。最優(yōu)選地，該改進(jìn)的k值在0.5pcf(8.0Kg/m3)和在5微米的有效纖維直徑下低于約0.295Btu英寸/小時(shí)英尺2°F/(0.0425瓦特/m℃)。
將保溫產(chǎn)品以高壓包裝，從而在有限的體積，如卡車中運(yùn)送更多的保溫材料。在安裝點(diǎn)處，將該保溫產(chǎn)品解包，產(chǎn)品膨脹或恢復(fù)。保溫產(chǎn)品恢復(fù)的厚度稱為恢復(fù)厚度。保溫材料需要一個(gè)特定的厚度來(lái)達(dá)到所說(shuō)的R值。保溫產(chǎn)品恢復(fù)的能力取決于未壓制的產(chǎn)品比重和產(chǎn)品被壓之后的比重。棉保溫材料通?？梢苑殖扇箢愋?、中等和大比重。小比重保溫產(chǎn)品是產(chǎn)品比重在0.3-0.6pcf(4.0-9.6Kg/m3)的產(chǎn)品。中等比重保溫產(chǎn)品是產(chǎn)品比重在0.6-0.9pcf(9.6-14.4Kg/m3)的產(chǎn)品。大比重保溫產(chǎn)品是產(chǎn)品比重超過1.0pcf(16Kg/m3)的產(chǎn)品。
加壓比重是棉氈為了運(yùn)輸而被加壓同時(shí)仍保持滿意的恢復(fù)比重。如果產(chǎn)品被加壓到太高的比重，相當(dāng)一部分玻璃纖維會(huì)斷裂。結(jié)果，該產(chǎn)品將不會(huì)恢復(fù)到令人滿意的厚度。對(duì)于現(xiàn)有的直纖維小比重保溫產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最大的使用加壓比重為約3-6pcf(48-96Kg/m3)，它取決于產(chǎn)品比重。
本發(fā)明的小比重棉保溫材料產(chǎn)生意外的改進(jìn)的恢復(fù)性能。這種恢復(fù)能力的增加其原因在于不規(guī)則形狀的纖維的獨(dú)特形狀和特性。由于本發(fā)明的不規(guī)則形狀的玻璃纖維沒有粘結(jié)劑的特性，人們會(huì)推測(cè)在加壓時(shí)它們會(huì)象現(xiàn)有的無(wú)粘結(jié)劑的直纖維那樣滑動(dòng)。但是，不規(guī)則形狀的纖維由于不規(guī)則形狀卡在相鄰的纖維上而不會(huì)滑動(dòng)很遠(yuǎn)，從而防止了明顯移動(dòng)。此外，沒有粘結(jié)劑將壓力施加在位于界面附近的纖維上。此外，本發(fā)明的不規(guī)則形狀的纖維會(huì)伸縮并彎曲以減輕壓力。因此纖維的位置可以保持而且可以將用于恢復(fù)的能量?jī)?chǔ)存在纖維中。當(dāng)除去壓力時(shí)所儲(chǔ)存的能力被釋放，纖維回到它們的恢復(fù)位置。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)恢復(fù)比根據(jù)ASTM C167-90是指恢復(fù)比重與加壓比重的比(在將保溫產(chǎn)品壓制到加壓比重、解除包裝并使之恢復(fù)到恢復(fù)比重之后)。舉例來(lái)說(shuō)，壓制到比重為6pcf(96Kg/m3)的保溫產(chǎn)品如果恢復(fù)到0.5pcf(8Kg/m3)，則其恢復(fù)比為12∶1。本發(fā)明的低比重棉氈可以壓制到加壓比重為約6-18pcf(96-288Kg/m3)并且恢復(fù)到恢復(fù)比重為約0.3-0.6pcf(4.8-9.6Kg/m3)。其恢復(fù)比為12∶1-50∶1。優(yōu)選地，本發(fā)明的保溫產(chǎn)品可以壓制到加壓比重為約9-18pcf(144-288Kg/m3)并且恢復(fù)到恢復(fù)比重為約0.3-0.6pcf(4.8-9.6Kg/m3)。最優(yōu)選地，本發(fā)明的保溫產(chǎn)品可以壓制到加壓比重為約9-15pcf(144-240Kg/m3)并且恢復(fù)到恢復(fù)比重為約0.3-0.5pcf(4.8-8Kg/m3)。
在保持令人滿意的恢復(fù)比重的同時(shí)可以施加到本發(fā)明的小比重保溫產(chǎn)品上的壓力值的大量增加的效果是明顯的。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的R19保溫產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，通過使用本發(fā)明的不規(guī)則形狀的玻璃纖維，可以將加壓比重從約4pcf(64Kg/m3) 增加到約12pcf(192Kg/m3)。這相當(dāng)于在同樣體積的運(yùn)輸容器，如卡車或火車中可以運(yùn)送約3倍多的保溫材料。潛在的運(yùn)輸成本的節(jié)省是巨大的。此外，更高壓制的保溫產(chǎn)品在儲(chǔ)存以及倉(cāng)儲(chǔ)、零售和產(chǎn)品安裝處理方面是有益的。
為了獲得本發(fā)明的獨(dú)特的不規(guī)則形狀的玻璃纖維，需要特定的滿足多種限制的組合物。第一個(gè)限制涉及熱膨脹系數(shù)。對(duì)玻璃A或玻璃B的熱膨脹系數(shù)的值沒有直接的限制。但是，優(yōu)選地在利用標(biāo)準(zhǔn)棒法對(duì)單個(gè)玻璃進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，玻璃A和玻璃B的熱膨脹系數(shù)至少應(yīng)相差2.0ppm/℃。
另一個(gè)對(duì)于令人滿意地工業(yè)化生產(chǎn)不規(guī)則形狀的玻璃纖維的限制是粘度溫度，它是玻璃粘度為1000泊(當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)筒法測(cè)量時(shí))的溫度。通常將其稱為log3粘度溫度。log3粘度溫度優(yōu)選地在約1850°F(1010℃)-2050°F(1121℃)，更優(yōu)選地為約1900°F(1037℃)-約2000°F(1093℃)，最優(yōu)選地為約1950°F(1065℃)。
玻璃的另一個(gè)限制是液相溫度。玻璃的液相是晶體穩(wěn)定存在于熔融玻璃中的最高溫度。在足夠的時(shí)間下，在低于液相溫度的溫度下的玻璃將會(huì)結(jié)晶。在窯爐中發(fā)生結(jié)晶將會(huì)導(dǎo)致固體顆粒的形成，這些顆粒在通向成纖器時(shí)，會(huì)停留在旋轉(zhuǎn)噴頭的孔中，將其堵塞。對(duì)于本發(fā)明的雙玻璃組合物的玻璃A和玻璃B的每一種玻璃來(lái)說(shuō)，其log3粘度溫度和液相溫度之間的差值優(yōu)選地至少為50°F(28℃)，更優(yōu)選地為約比log3粘度溫度低200°F(111℃)。如果該限制不能滿足，在旋轉(zhuǎn)噴頭的下部(即較冷的部分)將會(huì)發(fā)生結(jié)晶，使旋轉(zhuǎn)噴頭的孔堵塞。
對(duì)本發(fā)明的玻璃組合物的另一個(gè)限制是玻璃穩(wěn)定性。德定性與兩種玻璃棉塊的性能有關(guān)。第一種是玻璃棉塊在打開安裝時(shí)恢復(fù)的能力。第二種是玻璃棉塊的長(zhǎng)久物理整體性。如果玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性太低，在安裝時(shí)，玻璃棉塊不能恢復(fù)到其設(shè)計(jì)厚度。如果棉塊不能完全恢復(fù)或者太快地破碎，結(jié)果該棉塊就不能合適地保溫。
用于保溫用途的玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性的一種有效測(cè)定可以通過測(cè)定在0.1升蒸餾水中在205°F(96℃)下放置2小時(shí)之后1克10微米直徑的纖維的失重百分比而獲得。所測(cè)定的穩(wěn)定性主要取決于玻璃纖維的組成，其次取決于纖維的熱歷史。為了確保棉塊具有合適的性能，每一種雙玻璃組合物的纖維在該測(cè)定中應(yīng)該具有低于約4％的失重，優(yōu)選地應(yīng)低于約2.5％。除了主要取決于玻璃組成以外，玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定還取決于其熱歷史。因此，舉例來(lái)說(shuō)，將玻璃纖維在1000°F(538℃)下加熱幾分鐘將改善其化學(xué)穩(wěn)定性。應(yīng)該明白所說(shuō)的化學(xué)穩(wěn)定性限制是在除了在其原始拉絲中所用的熱處理之外沒有其它熱處理的玻璃纖維上進(jìn)行的測(cè)定。由于玻璃棉保溫材料一般含有某些在破碎成短纖維時(shí)細(xì)到足以可吸入的纖維，因此，某些纖維可能會(huì)變成飛動(dòng)的并且會(huì)被吸入。在人體內(nèi)，它們會(huì)向生理體液暴露。當(dāng)纖維在體內(nèi)的溶解速度在吸入纖維的生理活性中起作用時(shí)，有可能會(huì)產(chǎn)生在這類體液中具有較高溶解速度的玻璃纖維。玻璃纖維的溶解速度被表示成溶解速度常數(shù)(對(duì)在98°F(37℃)下在模擬肺液中的纖維測(cè)定)。它主要取決于玻璃纖維組成，其次取決于其熱歷史。優(yōu)選地對(duì)于所有保溫纖維采用溶解速度常數(shù)至少為100ng/cm2小時(shí)的玻璃組合物。因此每一種雙玻璃組合物的纖維的溶解速度常數(shù)優(yōu)選地至少為100ng/cm2小時(shí)。對(duì)于化學(xué)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，纖維的后續(xù)熱處理將會(huì)降低其溶解速度。應(yīng)該明白，100ng/cm2小時(shí)是針對(duì)形成最終產(chǎn)物形狀的棉保溫塊的纖維的。
本發(fā)明的雙玻璃組合物由作為玻璃A的高硼、低鈉鈣鋁硅組合物和作為玻璃B的高鈉、低硼鈣鋁硅組合物組成，它滿足成功的不規(guī)則形狀的纖維所必需的全部要求。所謂高硼-低鈉鈣鋁硅組合物是指該玻璃組合物的氧化硼含量為總組分的約14％-24％重量。所謂高鈉、低硼鈣鋁硅組合物是指該玻璃組合物的氧化鈉含量占總組分的約14％-25％重量。
優(yōu)選地第一種玻璃組合物由約50％-61％二氧化硅，約0-7％氧化鋁，約9-13％氧化鈣，約0-5％氧化鎂，約14-24％氧化硼，約0-10％氧化鈉和約0-2％氧化鉀(重量)組成。
優(yōu)選地第二種玻璃組合物由約52％-60％二氧化硅，約0-8％氧化鋁，約6-10％氧化鈣，約0-7％氧化鎂，約0-6％氧化硼，約14-25％氧化鈉和約0-2％氧化鉀(重量)組成。應(yīng)該明白，在每一種組合物中，典型地還存在總量低于約1％的各種其它成份，如Fe2O3，TiO2和SrO，這些成份不是故意加入到玻璃中的，而是由用于配合料配方中的原料產(chǎn)生的。
更優(yōu)選地，本發(fā)明的雙玻璃組合物由第一種玻璃組合物和第二種玻璃組合物組成，其中第一種玻璃組合物由約52％-57％二氧化硅，4-6％氧化鋁，10-11％氧化鈣，1-3％氧化鎂，19-22％氧化硼，4-6％氧化鈉和0-2％氧化鉀(重量)組成，第二種玻璃組合物由約57％-65％二氧化硅，2-6％氧化鋁，8-9％氧化鈣，4-6％氧化鎂，0-6％氧化硼，15-21％氧化鈉和0-2％氧化鉀(重量)組成。
實(shí)施例1根據(jù)本發(fā)明的工藝，在批料方式的低產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)噴頭中制造本發(fā)明的不規(guī)則形狀的玻璃纖維。然后由50克纖維以8×8英寸(203×203毫米)的試樣制備棉氈試驗(yàn)塊。這些試驗(yàn)方塊的恢復(fù)通過將恢復(fù)厚度與加壓厚度比較而測(cè)定。壓制為12pcf(192Kg/m3)，時(shí)間為一周。
現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)保溫產(chǎn)品的恢復(fù)比為18∶1?，F(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)粘結(jié)劑棉保溫材料的恢復(fù)比14.4∶1。本發(fā)明的無(wú)粘結(jié)劑的不規(guī)則形狀的棉保溫材料的恢復(fù)比對(duì)于三種所測(cè)試的試樣來(lái)說(shuō)為32∶1-34∶1。
實(shí)施例2利用ASTM試驗(yàn)C518測(cè)定在0.5pcf(8.0Kg/m3)和5微米直徑下的棉保溫材料的導(dǎo)熱性。對(duì)所測(cè)試的20份樣品來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)的棉氈的平均值為0.308k值。對(duì)于20份本發(fā)明的不規(guī)則形狀的棉保溫材料樣品來(lái)說(shuō)，其平均值為0.291k值，這表明相差17k點(diǎn)。由于一個(gè)k點(diǎn)代表約1/2％玻璃，因此，本發(fā)明的棉保溫材料比現(xiàn)有技術(shù)的材料少需要 玻璃就可以達(dá)到相同的R值。
權(quán)利要求
1.一種玻璃纖維保溫產(chǎn)品，由第一和第二玻璃組合物的雙玻璃纖維組成，其平均偏差比大于約5％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的保溫產(chǎn)品，其中平均偏差比大于約15％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的保溫產(chǎn)品，其中平均偏差比大于約30％。
4.一種玻璃纖維保溫產(chǎn)品，由第一和第二玻璃組合物的不規(guī)則形狀的雙玻璃纖維組成，其平均偏差比大于約5％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的保溫產(chǎn)品，其中平均偏差比大于約15％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的保溫產(chǎn)品，其中平均偏差比大于約30％。
全文摘要
由具有不同熱膨脹系數(shù)的兩種玻璃的不規(guī)則形狀的玻璃纖維組成的玻璃纖維保溫產(chǎn)品。不規(guī)則形狀的雙玻璃纖維具有基本上均勻的體積填充性能。以及即使在不用粘結(jié)劑的情況下產(chǎn)生改進(jìn)的恢復(fù)和導(dǎo)熱能力。
文檔編號(hào)D04H1/70GK1136830SQ94194387
公開日1996年11月27日 申請(qǐng)日期1994年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月5日
發(fā)明者R·A·霍普特, R·M·波特, D·P·阿斯臣拜克 申請(qǐng)人:歐文斯科爾寧格公司