玻璃纖維保溫產品的製作方法
2023-06-11 12:25:31 1
專利名稱：玻璃纖維保溫產品的製作方法
技術領域：
本發明涉及礦物纖維棉，更進一步地說涉及玻璃纖維保溫產品。本發明還涉及玻璃纖維保溫產品的製造。
小徑玻璃纖維可以用於多種應用中，包括隔音或隔熱材料。當將這些小徑玻璃纖維適當組合成網格或棉氈(通常稱為棉塊)時，單個缺乏強度或剛度的玻璃纖維可以形成十分強有力的產品。所製得的玻璃纖維保溫材料重量輕、耐高壓且具有彈性。就本專利說明書來說，術語「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，以及傳統的玻璃。用於生產玻璃纖維保溫產品的普通現有技術方法包括由旋轉法生產玻璃纖維。將單一熔融玻璃組合物強迫通過離心或旋轉噴頭外壁中的孔，產生主要是直的玻璃纖維。通過吹氣機向下拉伸纖維。當將纖維向下拉伸時，將用來將這些纖維粘結成棉產品的粘結劑噴射到這些纖維上。然後將這些纖維收集起來並形成棉塊。
當形成玻璃纖維保溫產品時，理想的保溫材料是在這些纖維之間具有均勻的間隙。保溫材料主要是網格，用於將空氣限制在纖維之間並由此防止空氣移動。該網格還可以通過發散輻射而阻止熱傳遞。具有更加均勻間隙的纖維將使發散達到最大，因而具有更大的保溫能力。
在生產玻璃纖維棉保溫材料過程中，必需採用相對短的纖維。長纖維相互之間會纏繞，形成繩或線。這些繩導致了與理想均勻網格的偏移並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格，有些纖維相互成束。很顯然現有的玻璃棉保溫材料產品中的纖維分布明顯不均勻。因此不能得到理想的均勻網格結構。
此外，當採用直纖維時，必需向纖維中加入有機粘結劑材料。該粘結劑通過在纖維與纖維的界面處粘結而使產品保持在一起。除了該粘結劑本身昂貴之外，還必需花很大的精力來處理從製造工藝中排放的流出物，其原因在於大多數有機化合物均對環境有不利影響。另外，該粘結劑必需要用爐子來固化，需要採用額外的能量並且產生其它的環境清除成本。
現有的保溫產品所存在的另一個問題是某些玻璃纖維在接觸時會刺激人的皮膚，尤其是當該纖維的直徑太大時。此外如果玻璃纖維是脆性的，纖維的斷裂將會使該保溫產品起塵。
在運輸和包裝保溫材料中，高可壓性是優選的。合適的是將棉壓制以供運輸，然後能很快地將它恢復並且穩定在所需要的尺寸上。現有的保溫產品在可壓制量方面是有限的，儘管它們仍然可以獲得合適的恢復。當將該產品壓制時，粘結劑保持固定，同時纖維本身屈服。當纖維上的壓力由於過分加壓而增加時，纖維會斷裂。
在現有技術中，人們已經在嘗試生產非直線玻璃纖維。在機械紐結工藝中，玻璃纖維從織物套中拉出。當仍然處於高溫時，利用機械裝置通過一系列相對的齒輪或捲曲裝置拉伸纖維，從而使其變細和捲曲。其結果是一束紐結的玻璃纖維。
機械紐結的主要缺點是纖維不能有助於令人滿意的玻璃棉生產。以這種方式製成的每一根纖維具有均勻的形狀，不能達到紐結目的，其原因在於所製得的玻璃棉不具有均勻的分布。此外由於該工藝是非旋轉的，其產量低，不能令人滿意，而且所製得的纖維對於棉保溫材料來說太粗。
Stalego在USP2998620中公開了雙組分玻璃組合物的捲曲玻璃纖維。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噴頭的孔而生產定長捲曲纖維。將這些玻璃作為兩個玻璃流以對準的整體關係擠出，從而在冷卻時由於不同的熱膨脹性而使這些纖維自然捲曲。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材料，中使用捲曲的纖維。Stalego沒有公開在保溫產品中採用捲曲的纖維。
Tiede在USP3073005中公開了一種非旋轉的工藝用於製造雙組分捲曲玻璃纖維。通過將兩種不同的玻璃組合物以側面與側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形成單一纖維。Tiede指出在織物生產以及緩衝和漂浮材料中採用這種玻璃。Tiede沒有公開由捲曲玻璃纖維製成的保溫產品。
Slyter等人在USP2927621中還公開了捲曲纖維的製造過程中。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後通過相對的弧形裙。隨後，這些纖維獲得該裙的弧形形狀。但是厚長的纖維不適用於保溫材料。另外，所製得的纖維用於過濾介質中，另外，其上還施加了粘結劑。
因此，人們需要一種經過改進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的恢復性和較低的導熱性並且無需採用粘結劑即可使用。另外，解決現有的玻璃纖維保溫產品的刺激和起塵問題將是有益的。
這一需要通過本發明可以滿足，在本發明中保溫產品由不規則形狀的礦物纖維製成。通過採用不規則的、而不是直的、紐結的或甚至捲曲的纖維，可以獲得很均勻的網格結構。也就是說均勻的體積填充。均勻性增加可以獲得較高的恢復比。更為重要的是，均勻的體積填充可以導致導熱性明顯降低。此外，不規則形狀纖維的進一步纏繞可以使棉塊獲得足夠的整體性，而無需採用有機粘結劑。所謂足夠的整體性是指棉氈的纖維在將8英尺(2.4米)棉氈以其自重沿長度或沿寬度懸掛時會保持纏繞而不會分離。這些方向分別是指機器方向或橫向方向。但是，如果需要的話，可以將粘結材料加入以使該棉保溫材料的強度增加。另外，本發明的纖維的不規則形狀可以使產品不易引起刺激並且使產品很少起塵。
根據本發明的優選方案，它提供了一種不規則形狀的玻璃纖維以及由不規則形狀的玻璃纖維組成的保溫產品。不規則形狀玻璃纖維保溫產品具有基本上均勻的體積填充性能。另外，不規則形狀的玻璃纖維優選地是沒有粘結劑的。術語「沒有粘結劑」是指粘結劑材料佔該產品重量的1％以下或等於1％。另外，術語「粘結劑」不包括用於抑制起塵或潤滑而加入的材料。每一根不規則形狀的玻璃纖維有兩種熱膨脹係數不同的玻璃組合物組成。兩種玻璃組合物之間的熱膨脹係數的差優選地高於約2.0ppm/℃(每百萬分之一份)，更優選地高於約4.0ppm/℃，最優選地為高於約5.0ppm/℃。
根據本發明的另一方面，而提供了不規則形狀的玻璃纖維保溫產品，該保溫產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)之後，該產品的恢復比重在約0.3-0.6pcf(每立方英尺磅)(4.8-9.6Kg/m3)。
根據本發明的另一方面，它提供了由具有基本均勻的體積填充性能的不規則形狀玻璃纖維組成的棉保溫材料，其中每一根不規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佔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餘量。小部分纖維是單組份的。
圖1是可用於製造本發明的保溫材料的熱定型工藝的正視圖。
圖2是可用於製造本發明的保溫材料的直接成形工藝的透視圖。
圖3是可用於本發明的保溫產品的一個方案的透視圖。
圖4是可用於製造本發明的纖維的成纖器的正視圖。
圖5是沿5-5線獲得的圖4中的旋轉噴頭部分的平面圖。
圖6是沿6-6線獲得的圖5中的旋轉噴頭的正視圖。
圖7是具有50∶50A/B玻璃比值的本發明不規則玻璃纖維的截面圖。
圖8是具有低於50∶50A/B玻璃比值的不規則玻璃纖維的示意圖。
圖9是現有技術的螺旋玻璃纖維的透視圖。
圖10是處於自然非限制狀態的本發明的不規則形狀的玻璃纖維的透視圖。
圖11是處於延伸狀態的圖10中的纖維透視圖。
圖12是圖10的不規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)和不規則的形狀纖維(122)的Y軸的旋轉R的數量圖，X軸表示纖維長度(毫米)。
本發明的不規則形狀的玻璃纖維保溫產品可以由如圖1所示的旋轉纖維成型和塊熱定型法來製造。
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12由窯爐10送入成纖器14。由成纖器形成的不規則形狀玻璃纖維簾18通過位於傳送機下面的真空作為棉塊20收集在傳送機16上。當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上時，它們會變細並且形成不規則的形狀。
然後在加熱定型溫度700-1100°F(371-593℃)下將棉塊通過爐24。通過將在纖維形成之後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，利用上輸送機26和下輸送機28以及導邊器(未示出)形成棉塊。在爐中時，可以將熱氣流加到玻璃纖維上以促進均勻加熱。在經過十分鐘以下的一段時間以後，該棉塊作為保溫產品30而離開爐子。
當利用傳送機26和28將玻璃纖維限制成保溫產品的形狀時，這些纖維以加壓彈簧的方式被壓制。當受壓纖維遇到熱定型溫度時，玻璃纖維發生松馳(可以通過蠕動機構)，結果使壓力基本上釋放。一旦取消限制，棉塊不會膨脹而保持所需的形狀。由於在冷卻時纖維會彎曲，它們會進一步發生纏繞從而提高了保溫產品的結構整體性。
應該明白熱定型是本發明的一個任選方面。其它用於保溫產品的製造技術包括縫合、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，通過該工藝可以製造本發明的保溫產品。在成纖器40中製造不規則形狀的玻璃纖維。玻璃纖維簾42通過成纖器中的吹頭向下吹落並且在1100°F(593℃)的溫度下收集在相對的向下收縮的收集輸送機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46，纖維在其中在約700-1100°F(371-593℃)的溫度下形成保溫產品。該熱定型爐或熱定型輸送機優選地確定了預定的截面形狀。用於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，而適於將加熱的氣體縱向通過棉塊48。
在本發明的一個特別方面，攔截輸送機是穿孔的或帶孔的，隨著纖維簾流動的氣體通過該攔截輸送機排出，從而使氣體與纖維分離。這些氣體含有相當多的熱能，優選地通過通道49將排出氣體中的主要部分由該攔截輸送機輸送到該攔截輸送機的上面，以保存熱能。理想的，這種排出氣體的再循環將使離開攔截輸送機的玻璃纖維保持在約400-900°F(204-482℃)的溫度下。來自爐子的廢熱氣也可以通到攔截輸送機的上邊。
由該熱定型輸送機的成型和熱定型區，將保溫產品通向包封模具50，保溫產品在這裡可以用任何一種合適的膜，如薄膜52包封起來。此外，在包裝之前可以將移動的產品切割成單件，如保溫氈。可以利用任何一種合適的裝置，如打卷裝置54將產品包裝起來。
參見圖3，本發明的保溫產品可以是棉氈56的形式，它由不規則形狀玻璃纖維組成。該棉氈上可以覆蓋外面層58，許多種面層是本領域已知的。
如圖4中所示，旋轉噴頭60由旋轉噴頭底壁62和旋轉噴頭周壁64組成。該旋轉噴頭在心軸66上旋轉，正如在現有技術中已知的那樣。旋轉噴頭的旋轉使熔融玻璃離心通過旋轉噴頭周壁而形成初級纖維68。該初級纖維通過管狀燃燒器70的熱量而保持在柔軟易變細的狀態下。在本發明的一個方案中採用一種內部燃燒器(未示出)向旋轉噴頭的內部提供熱量。管狀吹頭72採用強制空氣74，用來將初級纖維拉絲並進一步使之變細成為二級纖維76，該纖維適用於棉保溫材料。然後將二級纖維或雙玻璃不規則形狀的玻璃纖維收集起來用於形成棉塊。
該旋轉噴頭的內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噴頭底壁上，並且由於離心力而朝著旋轉噴頭周壁向外流動形成玻璃A頭。在熔融玻璃液流80中的玻璃B比液流78更靠近旋轉噴頭周壁，液流80中的玻璃在到達旋轉噴頭底壁之前被水平側板82攔截。因此，在水平側板的上面形成了玻璃壁堆積體或頭。
如圖5中所示，旋轉噴頭上有垂直內壁84，它通常是圓形的並且位於旋轉噴頭周壁徑向裡面。一系列位於旋轉噴頭周壁和垂直內壁之間的垂直擋板86將空間分成多個腔88。交替的腔含有玻璃A或玻璃B。
該旋轉噴頭周壁配有孔90，它們位於垂直擋板的徑向外端附近。這些孔的寬度大於垂直擋板的寬度，從而使玻璃A和玻璃B從這些孔中作為單個雙玻璃初級纖維流出。正象在圖6中所看到的那樣，每個腔88佔有旋轉噴頭周壁64的整個高度，孔沿著分開該腔室的整個垂直擋板分布。也可以採用其它的旋轉噴頭結構來向旋轉噴頭孔提供雙股玻璃。
本發明的不規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。如果獲得本發明理想的不規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。實際上，在棉保溫材料中(或者甚至是在單根纖維的長度上)，在各種不規則形狀的玻璃纖維中可能會存在多種比例數量的玻璃A或玻璃B。在單根不規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％的範圍內變化，而總玻璃的餘量為玻璃B。通常，不規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。
用於測定玻璃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不經過纖維的中心108。
通過將一束纖維放在環氧樹脂中使纖維方向儘可能平行，可以獲得纖維的橫截面圖。然後用全剛石鋸片將該環氧樹脂柱橫切，將其中一個新表面用各種研磨介質拋光。將經過拋光的樣品表面用薄碳層塗覆，從而產生一種導電的樣品，用於進行掃描電子顯微鏡(SEM)分析。然後在SEM下利用背散射電子探測器對樣品進行檢測，它顯示了平均原子數的差異(作為灰度中的差異)。該分析結果通過在該纖維橫截面上的較黑區和較亮區而表明存在兩種玻璃，並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。當該纖維玻璃界面不是圓形的時，半徑通過垂直於該界面而測定。當該界面是曲線的時，用一根直線來近似。
偏差比是衡量A/B玻璃比偏離50∶50有多遠的一個測定值。該偏差離50∶50越大，r越大(作為R的百分比)。已經發現本發明的不規則形狀的玻璃纖維的平均偏差比典型地大於約5％，通常大於約15％，在許多情況下為大於約30％。
雙玻璃纖維由於兩種玻璃熱膨脹係數的差異而具有彎曲特性。當雙玻璃纖維冷卻時，一種玻璃組合物比另一種玻璃組合物收縮更快。結果在纖維上產生了應力。為了減輕這些應力，纖維必須彎曲，如果在纖維中不產生旋轉，將會產生具有通常穩定的曲率半徑的平坦線圈，該線圈在一個平面中，例如在鍾簧中。雙玻璃纖維的旋轉可以通過參照位於這兩種玻璃組份之間的沿該纖維的界面而測定。為了避免該平面，必須引起部分旋轉。纖維的穩定旋轉將會產生具有恆定間隔的螺旋線。形成該螺旋線的纖維具有恆定的旋轉方向-要麼是順時針的，要麼是逆時針的。該螺旋線還具有通常恆定的曲率半徑。圖9表示了現有技術的螺旋纖維112的三維投影示意圖。為了有助於觀察，加上了在平坦表面上由於頂光而形成的纖維的陰影114。
本發明的不規則形狀的纖維不同於螺旋纖維，其區別在於該纖維的旋轉不是恆定的，而是在方向(順時針或逆時針)以及在程度上不規則地變化。纖維的旋轉程度是單位長度的纖維發生纖維旋轉的速度。該彎曲通常是恆定的，它取決於熱膨脹係數的差異以及A/B比例。圖10表示了本發明的不規則纖維122的三維投影，為了有助於觀察，加上了在平坦表面上由於頂光而形成的纖維的陰影124。當將纖維122置於張力下時，帶張力的纖維122A和陰影124A表明該纖維的不規則性被保留，如圖11中所示。
如圖12中所示，不規則纖維112B是通過將厚度放大並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。
由於不斷變化的拉伸環境，每一根不規則形狀的纖維均以特有的方式捲曲。沒有兩根纖維是完全相同的。纖維的最終形狀由於雙玻璃特性而具有一個基本曲線，該形狀由於因不斷變化或隨機的拉絲環境而引起的曲線。平面的捲曲、不規則旋轉而有所改變。該纖維的基本曲線通過三維而扭曲。它通常不是螺旋的。纖維的不規則性能使不規則形狀的玻璃纖維相互分開並且達到均勻的體積填充性能。另外，由不規則形狀的玻璃纖維製成的棉保溫材料不象用主要是直的纖維製成的棉保溫材料那樣對皮膚有刺激(不發癢)並且不會起塵。
不規則形狀的纖維的特徵可以採用方向矢量分析來分析。利用從兩個不同角度(分開90度)獲得的照片產生描述不規則形狀的纖維在三維空間的行徑的坐標。將該坐標調整從而產生沿著纖維的長度方向在數據點之間有相等的三維距離，由此產生經過調整的坐標數據點(ACD)。對每一個ACD如下所說計算三個矢量Vi＝纖維方向矢量(由一個ACD指向下一個ACD的單位矢量)Fi＝相對於ACD間距離間隔的Vi的一次導數矢量。
Si＝相對於ACD間距離間隔的Vi的二次導數矢量。
對於任何給定的ACD的旋轉程度Ri如下Ri＝Si·Ui(矢量點積)，其中Ui-=ViXVi-1ViXVi-1]]>(矢量叉積)Ui是垂直於含有Vi和Vi-1的平面的單位矢量。
如圖13所示，可以將旋轉的程度R(Y軸)作為沿纖維長度(X軸)的距離的函數而畫圖。該圖顯示了在圖10中所示的不規則纖維(纖維A)以及圖9中所示的螺旋纖維(纖維B)的旋轉程度。圖13中的數據已經採用5點加權移動平均數而平滑化，以降低由於導數方法而增強的噪音。由圖中可以看出本發明的非限制不規則形狀的纖維(纖維A)的旋轉在沿著該纖維長度方向的程度和正負號上不規則變化。對於5微米直徑的纖維A來說，交叉點(即旋轉改變符號時)以每釐米約1的頻率發生。與其相反，螺旋纖維(纖維B)在相同的長度之間沒有交叉點。可以認為對於5微米直徑的纖維來說，每釐米本發明的不規則形狀的纖維的交叉點數至少為0.3，很可能在約0.5-5.0範圍內。另一種分析纖維不規則性的方法是計算平均旋轉程度和沿纖維長度方向的旋轉程度的標準偏差。參見圖13，螺旋纖維(纖維B)的旋轉程度R的平均值遠高於0(或反向旋轉遠低於0)。螺旋線的旋轉程度R的標準偏差小於旋轉程度R的平均值。在圖13中，標準偏差與平均旋轉程度的比值對於螺旋纖維(纖維B)來說為0.25。
與其相反，對於本發明的不規則形狀的纖維(纖維A)來說，平均旋轉程度R非常小，通常接近零。旋轉程度的標準偏差如果不是明顯高於平均旋轉程度R的話，至少可以與平均旋轉程度R相比。優選地該比值大於約0.75。更優選地，大於1.0，最優選地為大於5.0。標準偏差與平均旋轉程度的比值對於纖維A來說為8.3。
纖維的不規則形狀使棉保溫材料產生非常均勻的體積填充性能。現有技術的主要是直的纖維隨機分布的棉塊中。它們在體積填充方面不是均勻的。所謂均勻體積填充是指纖維有擴散並且以均勻方式填充在對於它們來說可以獲得的整個體積中的傾向。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防止熱量流動。
X射線計算機層面照相術(CAT掃描)試驗表明，由於它們自然的分開傾向，用於本發明的不規則形狀的纖維比現有技術的標準玻璃纖維產生更加均勻的體積填充性能。在棉塊比重的CAT掃描試驗中，現有技術的標準玻璃纖維棉塊顯示出差不多是不規則形狀的纖維塊的兩倍的標準偏差。因此，在由不規則形狀的纖維製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量它們的導熱率而表現。利用它們阻止熱流動的能力可以評價建築保溫材料。抗熱流動性或R值是最常見的測量保溫產品阻止熱量從一種結構流動的能力的測量手段。R-值由下列等式確定R＝t/k，其中R-值是以小時英尺2°F/Btu(m2℃/瓦特)為單位的抗熱流動性；t是以英寸(mm)為單位的恢復厚度；k是以Btu英寸/小時英尺2°F(瓦特/m℃)為單位的熱導率。
熱導率或k值是測定材料的導熱能力的一個手段。因此材料的k值越低，該材料則是更好的絕熱體。此外，該材料的網格越均勻，該材料的絕熱能力越大。因此，熱導率是測量保溫材料的均勻體積填充性能的一個測定值。
本發明的保溫產品在相同的產品比重和纖維直徑下可以使k值比現有技術明顯降低。對於在0.3-0.6pcf(4.8-9.6Kg/m3)的固定產品比重和固定的纖維直徑下的棉保溫材料來說，本發明的棉氈其k值比現有技術中最好的標準產品低10-17k點。在該比重下，一個k點或千分之一k相當於獲得相同熱性能所需的約1/2％玻璃纖維比重。因此本發明的棉保溫材料大約比現有材料少需要5- ％的玻璃就可以獲得相同的k值並且產生相同的R值。在中等或高比重的保溫材料中可以看到相當的重量節省。本發明的保溫產品在0.5pcf(8.0Kg/m3)和在5微米的有效纖維直徑下優選地具有低於約0.300Btu英寸/小時英尺2°F/(0.0432瓦特/m℃)。最優選地，該改進的k值在0.5pcf(8.0Kg/m3)和在5微米的有效纖維直徑下低於約0.295Btu英寸/小時英尺2°F/(0.0425瓦特/m℃)。
將保溫產品以高壓包裝，從而在有限的體積，如卡車中運送更多的保溫材料。在安裝點處，將該保溫產品解包，產品膨脹或恢復。保溫產品恢復的厚度稱為恢復厚度。保溫材料需要一個特定的厚度來達到所說的R值。保溫產品恢復的能力取決於未壓制的產品比重和產品被壓之後的比重。棉保溫材料通常可以分成三大類小、中等和大比重。小比重保溫產品是產品比重在0.3-0.6pcf(4.0-9.6Kg/m3)的產品。中等比重保溫產品是產品比重在0.6-0.9pcf(9.6-14.4Kg/m3)的產品。大比重保溫產品是產品比重超過1.0pcf(16Kg/m3)的產品。
加壓比重是棉氈為了運輸而被加壓同時仍保持滿意的恢復比重。如果產品被加壓到太高的比重，相當一部分玻璃纖維會斷裂。結果，該產品將不會恢復到令人滿意的厚度。對於現有的直纖維小比重保溫產品來說，最大的使用加壓比重為約3-6pcf(48-96Kg/m3)，它取決於產品比重。
本發明的小比重棉保溫材料產生意外的改進的恢復性能。這種恢復能力的增加其原因在於不規則形狀的纖維的獨特形狀和特性。由於本發明的不規則形狀的玻璃纖維沒有粘結劑的特性，人們會推測在加壓時它們會象現有的無粘結劑的直纖維那樣滑動。但是，不規則形狀的纖維由於不規則形狀卡在相鄰的纖維上而不會滑動很遠，從而防止了明顯移動。此外，沒有粘結劑將壓力施加在位於界面附近的纖維上。此外，本發明的不規則形狀的纖維會伸縮並彎曲以減輕壓力。因此纖維的位置可以保持而且可以將用於恢復的能量儲存在纖維中。當除去壓力時所儲存的能力被釋放，纖維回到它們的恢復位置。
在本發明中，術語恢復比根據ASTM C167-90是指恢復比重與加壓比重的比(在將保溫產品壓制到加壓比重、解除包裝並使之恢復到恢復比重之後)。舉例來說，壓制到比重為6pcf(96Kg/m3)的保溫產品如果恢復到0.5pcf(8Kg/m3)，則其恢復比為12∶1。本發明的低比重棉氈可以壓制到加壓比重為約6-18pcf(96-288Kg/m3)並且恢復到恢復比重為約0.3-0.6pcf(4.8-9.6Kg/m3)。其恢復比為12∶1-50∶1。優選地，本發明的保溫產品可以壓制到加壓比重為約9-18pcf(144-288Kg/m3)並且恢復到恢復比重為約0.3-0.6pcf(4.8-9.6Kg/m3)。最優選地，本發明的保溫產品可以壓制到加壓比重為約9-15pcf(144-240Kg/m3)並且恢復到恢復比重為約0.3-0.5pcf(4.8-8Kg/m3)。
在保持令人滿意的恢復比重的同時可以施加到本發明的小比重保溫產品上的壓力值的大量增加的效果是明顯的。對於標準的R19保溫產品來說，通過使用本發明的不規則形狀的玻璃纖維，可以將加壓比重從約4pcf(64Kg/m3)增加到約12pcf(192Kg/m3)。這相當於在同樣體積的運輸容器，如卡車或火車中可以運送約3倍多的保溫材料。潛在的運輸成本的節省是巨大的。此外，更高壓制的保溫產品在儲存以及倉儲、零售和產品安裝處理方面是有益的。
為了獲得本發明的獨特的不規則形狀的玻璃纖維，需要特定的滿足多種限制的組合物。第一個限制涉及熱膨脹係數。對玻璃A或玻璃B的熱膨脹係數的值沒有直接的限制。但是，優選地在利用標準棒法對單個玻璃進行檢測時，玻璃A和玻璃B的熱膨脹係數至少應相差2.0ppm/℃。
另一個對於令人滿意地工業化生產不規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(當用標準旋轉筒法測量時)的溫度。通常將其稱為log3粘度溫度。log3粘度溫度優選地在約1850°F(1010℃)-2050°F(1121℃)，更優選地為約1900°F(1037℃)-約2000°F(1093℃)，最優選地為約1950°F(1065℃)。
玻璃的另一個限制是液相溫度。玻璃的液相是晶體穩定存在於熔融玻璃中的最高溫度。在足夠的時間下，在低於液相溫度的溫度下的玻璃將會結晶。在窯爐中發生結晶將會導致固體顆粒的形成，這些顆粒在通向成纖器時，會停留在旋轉噴頭的孔中，將其堵塞。對於本發明的雙玻璃組合物的玻璃A和玻璃B的每一種玻璃來說，其log3粘度溫度和液相溫度之間的差值優選地至少為50°F(28℃)，更優選地為約比log3粘度溫度低200°F(111℃)。如果該限制不能滿足，在旋轉噴頭的下部(即較冷的部分)將會發生結晶，使旋轉噴頭的孔堵塞。
對本發明的玻璃組合物的另一個限制是玻璃穩定性。穩定性與兩種玻璃棉塊的性能有關。第一種是玻璃棉塊在打開安裝時恢復的能力。第二種是玻璃棉塊的長久物理整體性。如果玻璃的化學穩定性太低，在安裝時，玻璃棉塊不能恢復到其設計厚度。如果棉塊不能完全恢復或者太快地破碎，結果該棉塊就不能合適地保溫。
用於保溫用途的玻璃纖維的化學穩定性的一種有效測定可以通過測定在0.1升蒸餾水中在205°F(96℃)下放置2小時之後1克10微米直徑的纖維的失重百分比而獲得。所測定的穩定性主要取決於玻璃纖維的組成，其次取決於纖維的熱歷史。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定中應該具有低於約4％的失重，優選地應低於約2.5％。除了主要取決於玻璃組成以外，玻璃纖維的化學穩定還取決於其熱歷史。因此，舉例來說，將玻璃纖維在1000°F(538℃)下加熱幾分鐘將改善其化學穩定性。應該明白所說的化學穩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行的測定。由於玻璃棉保溫材料一般含有某些在破碎成短纖維時細到足以可吸入的纖維，因此，某些纖維可能會變成飛動的並且會被吸入。在人體內，它們會向生理體液暴露。當纖維在體內的溶解速度在吸入纖維的生理活性中起作用時，有可能會產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(對在98°F(37℃)下在模擬肺液中的纖維測定)。它主要取決於玻璃纖維組成，其次取決於其熱歷史。優選地對於所有保溫纖維採用溶解速度常數至少為100ng/cm2小時的玻璃組合物。因此每一種雙玻璃組合物的纖維的溶解速度常數優選地至少為100ng/cm2小時。對於化學穩定性來說，纖維的後續熱處理將會降低其溶解速度。應該明白，100ng/cm2小時是針對形成最終產物形狀的棉保溫塊的纖維的。
本發明的雙玻璃組合物由作為玻璃A的高硼、低鈉鈣鋁矽組合物和作為玻璃B的高鈉、低硼鈣鋁矽組合物組成，它滿足成功的不規則形狀的纖維所必需的全部要求。所謂高硼-低鈉鈣鋁矽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、低硼鈣鋁矽組合物是指該玻璃組合物的氧化鈉含量佔總組分的約14％-25％重量。
優選地第一種玻璃組合物由約50％-61％二氧化矽，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。
優選地第二種玻璃組合物由約52％-60％二氧化矽，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。應該明白，在每一種組合物中，典型地還存在總量低於約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，而是由用於配合料配方中的原料產生的。
更優選地，本發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％二氧化矽，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％二氧化矽，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。
實施例1根據本發明的工藝，在批料方式的低產量實驗室旋轉噴頭中製造本發明的不規則形狀的玻璃纖維。然後由50克纖維以8×8英寸(203×203毫米)的試樣製備棉氈試驗塊。這些試驗方塊的恢復通過將恢復厚度與加壓厚度比較而測定。壓制為12pcf(192Kg/m3)，時間為一周。
現有技術的標準粘結保溫產品的恢復比為18∶1。現有技術的標準無粘結劑棉保溫材料的恢復比14.4∶1。本發明的無粘結劑的不規則形狀的棉保溫材料的恢復比對於三種所測試的試樣來說為32∶1-34∶1。
實施例2利用ASTM試驗C518測定在0.5pcf(8.0Kg/m3)和5微米直徑下的棉保溫材料的導熱性。對所測試的20份樣品來說，標準粘結的棉氈的平均值為0.308k值。對於20份本發明的不規則形狀的棉保溫材料樣品來說，其平均值為0.291k值，這表明相差17k點。由於一個k點代表約1/2％玻璃，因此，本發明的棉保溫材料比現有技術的材料少需要 ％玻璃就可以達到相同的R值。
權利要求
1.一種保溫產品，它由具有基本均勻體積填充特性的不規則形狀的玻璃纖維組成，在將保溫產品壓制到約6-18pcf(96-288kg/m3)的加壓比重後，該保溫產品的恢復比重在約0.3-0.6pcf(4.8-9.6kg/m3)之間。
2.根據權利要求1的保溫產品，其特徵在於，在將保溫產品壓制到約9-18pcf(144-288kg/m3)的加壓比重後，該保溫產品的恢復比重在約0.3-0.6pcf(4.8-9.6kg/m3)之間。
3.根據權利要求2的保溫產品，其中所述的不規則形狀的玻璃纖維由兩種熱膨脹係數不同的玻璃組合物組成，這兩種玻璃之間熱膨脹係數的差大於約2.0ppm/℃。
4.根據權利要求3的保溫產品，其中所述的不規則形狀的玻璃纖維是無粘結劑的。
5.根據權利要求1的保溫產品，其中在將保溫產品壓制到約9-15pcf(144-240kg/m3)的加壓比重之後，其恢復比重在約0.3-0.6pcf(4.8-9.6kg/m3)之間。
6.根據權利要求5的保溫產品，其中所述不規則形狀玻璃纖維由兩種熱膨脹係數不同的玻璃組合物組成，這兩種玻璃熱膨脹係數的差大於約2.0ppm/℃。
7.根據權利要求6的保溫產品，其中所述不規則形狀的玻璃纖維是無粘結劑的。
8.根據權利要求1的保溫產品，其恢復比在約12∶1至約50∶1之間。
9.根據權利要求8的保溫產品，其中所述不規則形狀玻璃纖維由兩種熱膨脹係數不同的玻璃組合物組成，這兩種玻璃熱膨脹係數的差大於約2.0ppm/℃。
10.根據權利要求9的保溫產品，其中所述不規則形狀的玻璃纖維是無粘結劑的。
11.根據權利要求1的保溫產品，其中所述不規則形狀的玻璃纖維是無粘結劑的。
12.根據權利要求11的保溫產品，其中所述不規則形狀的玻璃纖維充分纏繞一起，使得無粘結劑的保溫產品在其自重作用下懸掛時保持整體性。
13.根據權利要求1的保溫產品，其中所述不規則形狀玻璃纖維由兩種熱膨脹係數不同的玻璃組合物組成，這兩種玻璃熱膨脹係數的差大於約2.0ppm/℃。
14.一種保溫產品，它包括不規則形狀的玻璃纖維，其中在將保溫產品壓制到約6-18pcf(96-288kg/m3)的加壓比重之後，該產品的恢復比重在約0.3-0.6pcf(4.8-9.6kg/m3)之間。
15.根據權利要求14的保溫產品，其中在將保溫產品壓制到約9-18pcf(144-288kg/m3)的加壓比重之後，該產品的恢復比重在約0.3-0.6pcf(4.8-9.6kg/m3)之間。
16.根據權利要求14的保溫產品，其中在將保溫產品壓制到約9-15pcf(144-240kg/m3)的加壓比重之後，其恢復比重在約0.3-0.6pcf(4.8-9.6kg/m3)之間。
17.根據權利要求14的保溫產品，其恢復比在約12∶1到約50∶1的範圍內。
18.根據權利要求1的保溫產品，其中所述不規則形狀的玻璃纖維是無粘結劑的。
19.根據權利要求18的保溫產品，其中所述不規則形狀的玻璃纖維充分纏繞一起，使得無粘結劑的保溫產品在其自重作用下懸掛時保持整體性。
20.根據權利要求14的保溫產品，其中所述不規則形狀玻璃纖維由兩種熱膨脹係數不同的玻璃組合物組成，這兩種玻璃熱膨脹係數的差大於約2.0ppm/℃。
全文摘要
由具有不同熱膨脹係數的兩種玻璃的不規則形狀的玻璃纖維組成的玻璃纖維保溫產品。不規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劑的情況下產生改進的恢復和導熱能力。
文檔編號H01B3/08GK1135205SQ94194040
公開日1996年11月6日 申請日期1994年10月28日 優先權日1993年11月5日
發明者C·伯丹, R·A·霍普特, R·M·波特, D·P·阿斯臣拜克 申請人:歐文斯科爾寧格公司