耐火層壓材料的生產的製作方法

2023-04-30 18:36:21

專利名稱：耐火層壓材料的生產的製作方法
技術領域：
本發明涉及水玻璃組合物的新型生產方法，涉及通過該方法生產的組合物和涉及包括這種組合物的耐火玻璃層壓材料作為在兩塊相對的玻璃片之間的膨脹層。
夾在兩塊相對的玻璃片之間、摻混膨脹的無機層的玻璃層壓材料是已知的，其由Pilkington集團公司以商標PYROSTOP和PYRODUR銷售的。當這種材料暴露於火焰時，無機層凸起並膨脹形成泡沫體。泡沫體提供熱絕緣層，保護玻璃片遠離火焰，以便玻璃部件的結構完整性得以維持，從而提供火焰蔓延的阻擋層。泡沫層的絕緣性能降低通過該層傳播的熱量，從而降低在玻璃部件的非火焰側上材料燃燒的危險。摻混這種無機層的玻璃層壓材料已被成功地用作耐火玻璃結構體。這種層壓材料可包括夾有不止一層無機層的大於兩片的玻璃片。取決於相關規則的嚴厲程度，已使用包括多至八層無機層的層壓材料。多層層壓材料相對厚和相應地昂貴。
通常主要由矽酸鈉水玻璃或其與矽酸鉀水玻璃的混合物形成膨脹的無機層。另外，該層可包括小量多羥基有機化合物如二元醇、甘油和其衍生物或糖。通常通過製備水玻璃的含水溶液，將該溶液施加到其中一塊玻璃片上，並乾燥過量水，從而形成無機層。典型地無機層包括約20wt％水(包括水合物中的水)和可變量的Na2SiO2，Na6Si2O7和Na2Si3O7。水玻璃溶液和無機層可含有可變比例的Na2O∶SiO2，也可包括通過引入K2O作為Na2O的替代品而產生的含鉀物質。
若想獲得具有有用膨脹性能的任選地透明的層材，必須在仔細控制條件下進行乾燥步驟。典型地在高溼度條件下和在長時間段內例如12-24小時內進行乾燥。這種冗長的方法增加了製造工藝成本和降低了生產設備的生產率。
美國專利4190698公開了中間層是矽酸鹽水玻璃的玻璃層壓材料，和提出了加入水玻璃中的許多助劑，其中包括甘油、乙二醇、山梨醇、葡萄糖、澱粉、磷酸鈉、鋁酸鈉、磷酸鋁、硼砂、硼酸和膠態二氧化矽。據說，這些助劑改進中間層的耐火性能。
甘油是最常添加到矽酸鹽水玻璃中，形成具有有利性能的中間層的助劑。甘油的存在降低了乾燥過程中中間層的龜裂，從而促進透明的乾燥中間層的形成。
含這些中間層的這些窗用玻璃(glazings)的耐火性部分依賴於儘可能長時間維持窗用玻璃的完整性，甚至當玻璃片在應力下龜裂時。在一些情況下，玻璃以災難的方式龜裂，結果窗用玻璃可能不能通過特定的試驗。我們已觀察到當加熱中間層時，這些故障可能與相對粗糙的泡沫體的形成有關。
我們現已發現在乾燥步驟之前向水玻璃中溶液加入碳酸或α-羥基羧酸的鹽導致產生具有改進耐火性能的膨脹層。這些層材在暴露於火焰時產生更精細的泡沫體，和申請人認為這是改進的耐火性能的表徵。鹽的存在也可使乾燥工藝能在較短的時間段內進行，而沒有對產品質量產生任何有害的影響，從而改進生產設備的生產率。
本發明一方面提供了一種在玻璃基質的表面上生產無機膨脹層的方法，該方法包括在玻璃的表面上塗敷水玻璃的鹼金屬溶液，和從溶液中蒸發水，直到形成無機層，其中水玻璃溶液包括碳酸或α-羥基羧酸的鹼金屬鹽。所使用的鹽優選不顯著降低膨脹層光學性能或其耐火性能的鹽。
有用的鹽的實例包括α-羥基羧酸(如檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、羥基乙酸和乳酸)的金屬鹽，特別是鹼金屬鹽，現已發現它們在本發明的方法中都是有用的。已發現弱無機酸的鹽如鹼金屬碳酸鹽和碳酸氫鹽是有用的。
為了有效而要求的鹽的總量隨緩衝劑和隨水玻璃溶液的組成而變化。一般地，水玻璃溶液可包括0.1-2.0wt％，優選0.5-1.0wt％的鹽(乾燥之前)。任何特定鹽的最佳量完全受經驗方式而確定。任何特定鹽的過量使用可導致形成具有劣化耐火性能的(與已知的體系相比)或不可接受地模糊(hazy)的乾燥膨脹層。
鹼金屬矽酸鹽水玻璃優選矽酸鈉水玻璃。在配混本發明中優選使用的水玻璃是其中SiO2∶Na2O的重量比為至少2∶1的那些，更優選重量比為至少2.5∶1的那些，和最優選重量比為至少2.85∶1的那些。
也可在本發明的組合物中使用除矽酸鈉水玻璃之外的鹼金屬矽酸鹽水玻璃，尤其是矽酸鉀和矽酸鋰水玻璃。其中重量比SiO2∶K2O的範圍為1.4∶1-2.1∶1的矽酸鉀水玻璃是特別有用的。包括矽酸鈉基水玻璃和矽酸鉀水玻璃的混合物的組合物也可以是有用的。
在本發明的工藝過程中塗敷到玻璃表面上的水玻璃溶液通常具有在10.0-12.0範圍內，更優選在10.5-11.8範圍內的pH。典型地這些溶液包括50-70wt％的水。在乾燥工藝最後，無機膨脹層的含水量為15-26wt％，更優選18-22wt％。在乾燥過程中，溶液的有效pH將隨離子的遷移率的降低而成比例地線性減少。隨著水蒸發和層材開始固化，pH變為層材性能的不那麼有意義的量度。
在本發明的優選實施方案中，我們發現在乾燥步驟過程中，在起始的5小時內，溶液的pH應當下降不大於2個pH單位。在這一時間段內，水玻璃溶液的含水量優選例如從60％降低到在30-35wt％範圍內的一個數值。在本發明的優選實施方案中，在控制條件下進行這一起始部分的乾燥工藝，和水的損耗速率與不存在本發明鹽時乾燥相同程度的水玻璃溶液所常用的速率大致相同或更長。然而，在本發明的工藝中，我們優選在較短的時間內完成後一部分的乾燥工藝。在典型的現有技術工藝中，總的乾燥時間可以是12-24小時內的任何時間。在本發明的優選工藝中，總的乾燥時間可少至10或15小時，儘管視所需可使用更長的時間。
在本發明工藝中形成的無機膨脹層的改進的耐火性能意味著相對薄的膨脹層可足以實現相等的耐火性能。在本發明的工藝中，在玻璃表面上的膨脹層的厚度可從1.4mm降低到1.0mm和更優選0.7mm。為了生產乾燥的膨脹層所需要蒸發的水量相應地得到降低，和乾燥該溶液所要求的時間也得到降低。然而，即使在這些實施方案中，優選在仔細控制的條件下和在相對慢的速率下進行起始部分的乾燥工藝。在這一早期部分的乾燥工藝中試圖更快速地乾燥溶液趨於導致形成具有劣化性能的無機層和導致極端不可接受的性能。
在本發明工藝中有用的水玻璃溶液優選包括多羥基有機化合物。這種多羥基化合物的使用在本領域中是已知的。典型地，從包括二元醇、甘油或甘油的衍生物或糖的組中選擇多羥基化合物。最優選的有機多羥基化合物是甘油。優選地水玻璃溶液(在乾燥步驟之前)包括2.0-10.0wt％的多羥基化合物。
優選以避免產生任何局部極端pH值的方式製備在本發明工藝中有用的水玻璃溶液。鹽可方便地溶解在多羥基有機化合物的含水溶液中。然後緩慢地和在良好的攪拌下向水玻璃溶液中加入所得溶液，形成在本發明工藝中有用的溶液。
可通過在玻璃片材的表面上塗敷水玻璃溶液，隨後從溶液中蒸發水，方便地生產無機膨脹層。為了在玻璃上生產所需厚度的無機膨脹層，必須在玻璃上提供例如來自粘土狀材料的邊緣阻擋層，所述粘土狀材料在蒸發步驟過程中將保留水玻璃溶液，這種技術是本領域公知的。優選在烘箱中，在70℃-105℃的溫度下乾燥最多24小時的時間段，進行從水玻璃溶液中水的蒸發。
通過變化大氣的相對溼度，可方便地控制水的蒸發速率。通過在起始部分的乾燥過程中保持非常高的相對溼度(最多100RH)，乾燥速率可維持在相對低的水平。在該工藝後期，為了增加乾燥速率，可降低相對溼度。
當蒸發完成時，可從烘箱中取出塗布的玻璃片材，通過從片材中切割邊緣部分除去殘留的邊界。該產品是在其表面上具有無機膨脹層的玻璃片材。可方便地切割這些片材到一定尺寸，並通過進一步的層壓工藝形成層壓的玻璃部件。
可通過加入第二塊玻璃片材，將具有膨脹塗層的玻璃片材形成層壓材料。該第二塊片材可以是未塗布的，在此情況下，產品是具有單一膨脹層的層壓材料。或者也可用無機的膨脹層塗布第二塊玻璃。可生產大於一層膨脹層的層壓材料，該層壓材料在要求增強的耐火性的情況下是有用的。
具有相對薄的膨脹層的片材的應用代表層壓材料生產的一個優選實施方案，因為層壓的玻璃部件可比常規的部件更薄，卻產生相同的耐火性能。
實施例1如下製備透明的耐火窗用玻璃3mm厚的鹼石灰玻璃片具有繞其周邊塗布的耐溼和耐熱阻擋層，從而形成5mm高的隔層。
將檸檬酸三鉀(30份)溶解在去離子水(30份)中並攪拌，形成透明溶液。將其與甘油(87％的含水溶液，69份)混合併攪拌直到均勻。在劇烈攪拌下，將該溶液傾入到矽酸鈉溶液(38.1％的含水溶液，901份)中。
將所得溶液以5kg·m-2的分布率傾倒在前述玻璃片上。
在烘箱中，在100℃下乾燥溶液。向烘箱中注射蒸汽直到相對溼度達到100％。密封烘箱，和乾燥溶液48小時到殘留的含水量為20→30％，和約1.4mm的厚度。除去乾燥的邊緣阻擋層，和將第二塊鹼石灰玻璃片粘接到矽酸鹽層上。
在BS.476PT.20-22所規定的條件下，將這一粘接的層壓材料進行耐火試驗。層壓材料超過標準中所規定的60分鐘的完整性，在該時刻關閉加熱爐。
為了比較，以相同的方式製造層壓材料，所不同的是不將檸檬酸三鉀加入到甘油中。
在相同的試驗條件下，該層壓材料在37分鐘後出現故障。
權利要求
1.一種在玻璃基質的表面上生產膨脹層的方法，該方法包括在玻璃的表面上塗敷鹼金屬水玻璃的溶液，和從該溶液中蒸發水，直到形成無機層，其特徵在於水玻璃溶液包括碳酸或α-羥基羧酸的鹼金屬鹽。
2.權利要求1的方法，其特徵在於α-羥基羧酸選自檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、羥基乙酸和乳酸。
3.前述權利要求之任一項的方法，其特徵在於塗敷到玻璃表面上的水玻璃溶液具有10.5-11.8範圍內的pH。
4.前述權利要求之任一項的方法，其特徵在於在乾燥步驟的起始5小時內，水玻璃溶液的pH下降不大於2個pH單位。
5.前述權利要求之任一項的方法，其特徵在於水玻璃溶液包括0.1-2.0wt％的鹽。
6.前述權利要求之任一項的方法，其特徵在於水玻璃溶液包括多羥基化合物。
7.權利要求6的方法，其特徵在於多羥基化合物是二元醇、甘油或甘油衍生物或糖。
8.權利要求7的方法，其特徵在於多羥基化合物是甘油。
9.前述權利要求之任一項的方法，其特徵在於將在其表面上塗敷水玻璃溶液的玻璃基質放置在加熱的烘箱內乾燥。
10.前述權利要求之任一項的方法，其特徵在於乾燥的無機膨脹層的含水量範圍是30-35wt％。
11.前述權利要求之任一項的方法，其中無機膨脹層為0.3-5.0mm厚。
12.一種玻璃基質，它具有在其中的一個表面上的無機膨脹層，其中所述層材能通過權利要求1-11之任一項的方法來生產。
13.一種層壓的玻璃產品，其包括具有夾在n片玻璃之間的n-1層膨脹層的玻璃片材，其特徵在於膨脹層能通過權利要求1-12之任一項的方法來生產。
全文摘要
在碳酸或α－羥基羧酸的鹽如檸檬酸鉀存在下，通過在玻璃基質的表面上乾燥水玻璃溶液，生產膨脹的耐火層材的方法。在起始的5小時乾燥過程中，優選在溶液的pH降低不大於2個單位的速率下進行乾燥。所得中間層提供改進的耐火性。
文檔編號C03C17/25GK1468170SQ01817050
公開日2004年1月14日 申請日期2001年9月17日 優先權日2000年9月20日
發明者K·S·瓦默, J·R·霍蘭德, D·W·霍爾頓, K S 瓦默, 霍蘭德, 霍爾頓 申請人:皮爾金頓公共有限公司