[发明专利]基于二氧化硅的耐高温无机纤维及其生产方法

说明书

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本发明涉及一种机械性能改善的基于二氧化硅的耐高温无机纤维、其 生产方法、其具体用途及由其制成的产品。

在高温段存在多种无机纤维。其中实例为纤维、二氧化硅纤维、 玻璃纤维、陶瓷纤维、生物可溶性纤维、多晶纤维和石英纤维。这些耐高 温纤维几乎存在于必须使用高温的所有生活领域。它们被应用于所有产业 中，从大规模工业设备如金属矿石、钢和铝产品的熔炼、工业炉构造、航 空和航天飞行、建筑物的消防，到塑料和混凝土的补强、家用电器技术， 以及应用于汽车和商用车辆工业的排放控制系统中。

在现代高科技应用中，除了高温热防护和热绝缘的功能以外，无机纤 维还常常必须完成其它强烈依赖于它们的机械特性的任务。例如，可以提 及的是补强纤维：除了它们的用于更好地与围绕它们的介质连接的功能化 表面以外，应该优选同时具有高拉伸强度。作为具体实例，在汽车工业的 排气系统中用于整料的安装垫的无机纤维必须显示例如除了高达1100℃ 的良好热绝缘性以外，还显示足够的柔韧性以证实随间隙尺寸变化的适当 保持力。在随后的纺织工艺例如纺纱、加捻、织造、编织等中，将多种纤 维材料进一步加工成纺织产品。此时，机械特性对例如在加捻或织造工艺 中避免撕裂也非常重要。

关于耐高温无机纤维的制造，存在生产耐高温、无机、氧化、无定形 或多晶纤维的多种可能性。典型矿物纤维包含SiO₂和Al₂O₃作为主要成分， 其中Al₂O₃的重量百分数高于40重量％。此外，根据预期应用领域，存在 化学组合物，其包含其它碱金属氧化物和碱土金属氧化物如Li₂O、Na₂O、 K₂O、MgO、CaO以及过渡金属氧化物如TiO₂、ZrO₂和Y₂O₃。可以粗略 地分为硅酸铝纤维或RCF(耐火陶瓷纤维)、高温玻璃纤维、AES(生物可 溶性纤维)、多晶纤维、经由溶胶-凝胶方法生产的纤维和硅酸盐纤维。

大体上使用三种纤维生产方法。如果可以成本有效地熔化岩石的非均 匀混合物，则经由管道将熔化物提供给所谓的纺丝机、转盘，在其中通过 旋转纺丝方法由熔化小液滴的切向偏转来拉伸纤维。该方法的性质允许仅 对纤维直径进行有限控制。此外，原料纤维包含非不显著量的非纤维化材 料，所谓的渣质，其必须在随后方法步骤中以高成本方式除去。如果起始 配料仅可以在极高温度下液化，如具有＞63重量％的高Al₂O₃含量的混合 物的情况，则使用溶胶-凝胶方法。在该非常高成本方法中，纤维形成如下： 通过喷丝头挤出含金属有机物的纺丝水凝胶或胶态SiO₂或Al₂O₃纺丝水溶 液，在随后热处理步骤中烘烤该纤维而形成。获得具有高二氧化硅含量的 耐高温无定形纤维的较好方法是用酸处理由铂玻璃熔化器-滚筒法生产的 富含碱金属的低熔点玻璃前体。通过酸诱导的扩散受控的离子交换方法可 以获得SiO₂含量高于99％的纤维。在方法中，在二氧化硅骨架中一价碱 金属如Li、Na和K通常被酸的质子充分替换，二价碱土金属仅部分被酸 的质子替换，三价金属如铝(除了硼)仅痕量被酸的质子替换。

在若干专利(US 2494259、EP 510653、GB 976565、EP 236735、US 2718461)中描述了通过对散布有金属原子的二氧化硅的无定形网络进行 酸处理可使其更耐温。