專利名稱：制備粘合劑的方法及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是利用具有玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的顆粒礦物材料，尤其是礦棉生產(chǎn)中的廢料作原料來制備粘合劑的方法。這種粘合劑適用于粘結(jié)礦物材料，特別是用作由礦物纖維生產(chǎn)礦棉制品的粘合劑。本發(fā)明的另一目的是利用所述的粘合劑粘結(jié)礦物纖維來制備礦棉制品的方法。
背景技術(shù)：
通過如石頭、礦渣、玻璃、陶瓷等礦物原料的熔化和離心而制備的礦物纖維廣泛地用于礦物纖維墊和毯的制造，這些制品基本上用于熱和聲音的絕緣，特別是建筑業(yè)內(nèi)的熱和聲音的絕緣。這種礦物纖維制品通常包含許多不同種類的已知的粘合劑。
例如已知的酚固化的絕緣制品。酚是一種十分便宜又迅速固化的粘合劑。酚固化的制品耐溫高達250℃，但是如果溫度長期保持在250℃以上，這種粘結(jié)就會被破壞。在較高的溫度下，即在400℃和更高的溫度下，這種粘和劑就喪失其強度，溫度迅速增加，而且制品坍塌。另外，酚固化的絕緣制品在燃燒期間散發(fā)有毒的氣體。另外的也是主要的缺點在于，使用之后處置含有這種粘和劑的礦棉制品時，制品中存在的酚會導致不期望的環(huán)境負荷。
同時，水玻璃也廣泛地用作粘合劑。傳統(tǒng)上，水玻璃是這樣制備的，即在很高的溫度下石英砂與碳酸鈉或碳酸鉀一起熔化，然后將細分的固化產(chǎn)物溶解于水。因此，可以認為水玻璃是生態(tài)學上可接受的物質(zhì)，包括用作如礦棉制品中的粘合劑。然而，缺點是其制備使用純的原材料和耗能。
還已知使用水玻璃與粘土的混合物作為礦棉制品的粘合劑，參見例如SE 420488。這種制品雖然具有良好的耐水性和耐熱性，但是耐壓性差、易碎并導致粉塵。另一方面，EP B 466754描述了使用由礦渣和水玻璃制成的粘合劑用于制備耐溫和耐濕的礦棉制品，該制品還能夠耐受高的臨時性載荷。
發(fā)明概述本發(fā)明的目標是提供一種容易的并且在經(jīng)濟上可行的獲得粘合劑的方法，該粘合劑具有優(yōu)異的粘結(jié)和防火性能，而且從使用和勞動衛(wèi)生的角度來看也是可以接受的。另外，本發(fā)明的粘合劑可以從便宜的和容易得到的原料或副產(chǎn)物以簡單的方法來制備。一個重要的優(yōu)點是本發(fā)明的粘合劑對環(huán)境沒有過度的生態(tài)負擔，而且只包含那些自然界中本來就存在的成份。
因此，本發(fā)明的目的是一種制備粘合劑的方法，該方法包括以下步驟-將具有玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的顆粒礦物材料溶解于水溶液，以形成包含成核的再沉淀的材料顆粒的溶液，-使如此獲得的溶液穩(wěn)定化，以形成具有所需顆粒尺寸的溶膠，及任選地，-調(diào)整該溶膠的干物質(zhì)含量。
該粘合劑的原料可以是礦棉材料，特別是來自礦棉生產(chǎn)的再循環(huán)的廢料，下面將對此進行更詳細的描述。
本發(fā)明的另一個目的是使用本發(fā)明的粘合劑制備礦棉織品的方法，包括使本發(fā)明的粘合劑與礦物纖維接觸來粘結(jié)纖維，從而形成礦棉織品。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，所述的顆粒礦物材料是得自礦棉生產(chǎn)的廢棄礦棉制品。這種廢料大量形成，通常為初始原料重量的20-30％，這種廢料包括紡絲廢料、廢棄的纖維制品(使用之前的制品)的未使用的纖維。一種可利用的材料來源還有各種即將拆解的建筑結(jié)構(gòu)，其中已使用了礦棉作為絕熱材料(使用后的制品)。這些廢料已經(jīng)是精細分割，通常為纖維的形式，因此可以這樣使用，或者作為選擇，可以將其分割成更精細的形式，以賦予產(chǎn)品更大的表面積，如0.4m2/g或更大，直至如25m2/g，并因此而在水溶液中具有良好的溶解性。得自礦棉生產(chǎn)的纖維通常具有0.5至20，一般為2至15，優(yōu)選為3至5μm的直徑，該直徑是利用適宜的方法用OM或SEM測量的(如Koenig et al，Analytica Chimica acta 1993 280 289-298；Christensen et al，AMIND HYG ASSOC(54)1993年5月)，以及0.5至50、一般為2至20、優(yōu)選3至10mm的長度。
所述的水溶液可以是堿性溶液，如堿金屬或堿土金屬的氫氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽的溶液，特別是鈉、鉀或鋰的氫氧化物的溶液或氫氧化銨溶液。這種溶液優(yōu)選具有0.1至2摩爾的堿性試劑，或者具有10至14的pH，以便容易溶解這種在中性溶液中溶解性差的礦物原料。
該水溶液還可以是酸性溶液，如通過加入如HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4、甲酸、乙酸、丙酸或者其它適宜的無機或有機酸而制備的水溶液。適當?shù)卣{(diào)整該溶液的pH。低pH值導致礦物材料迅速溶解并迅速形成凝膠，膠凝的時間取決于pH，較低的pH比較高的pH導致更迅速的膠凝。當pH為0至6時，獲得寬范圍的礦物材料的良好溶解性。酸的強度為0.1至10M，一般為0.5至5M，這取決于所使用的酸。
根據(jù)優(yōu)選的實施方案，原料的溶解優(yōu)選在升溫的條件下進行，如80至100℃的溫度，優(yōu)選同時進行攪拌，以促進溶解過程。溶解進行1-2小時直至20小時，這取決于溶解介質(zhì)和溶液固體含量。
優(yōu)選將一定量的初始礦物材料溶解在溶液中，以提供含金屬氧化物的溶液，該溶液最好包含超過1％、優(yōu)選5-60％重量的干物質(zhì)，其濃度適于后續(xù)的作為粘合劑的使用。溶解完成之后，材料成核并再沉淀，以形成具有所需顆粒尺寸的溶膠。隨后通過在溶液中產(chǎn)生顆粒之間的靜電排斥而使該溶膠穩(wěn)定化。溶膠顆粒之間的靜電排斥例如可以通過提供適宜的離子于溶液中，或者改變pH而實現(xiàn)。如果需要，可以額外地加水或除去水，例如通過蒸發(fā)除水，如果調(diào)整粘度需要。
也可以通過使用適宜的表面活性劑和聚合物，特別是非離子型的來實現(xiàn)穩(wěn)定化?？梢詢?yōu)選非離子型的表面活性劑和聚合物，有時是因為它們對包含高濃度電解質(zhì)和其它化學品、特別是離子強度高的環(huán)境不是那么敏感。聚合物的實例是聚環(huán)氧乙烷和聚乙二醇，表面活性劑的實例是壬基酚、土溫(Tween)和司盤(Span)。在典型的溶液中，這種表面活性劑和聚合物的用量為溶液的全部固體重量的0.5％至2.5％。
在堿性的pH下，溶膠趨于穩(wěn)定，并且可以看到溶膠的實際尺寸增加。通過保持溶膠于堿性的pH下適當?shù)臅r間，或通過增加pH從中性至pH10來獲得實際尺寸的增加，如果溶液額外地包含鹽，該增加小于所說明的。在存在足夠量的鹽，如氯化鈉等無機鹽時，溶膠顆粒趨于凝聚，形成沉淀的凝膠。通過提供酸性pH給溶液，也可以形成相同的凝膠，其中約2至低于7的pH適于凝膠的形成。
因此，通過調(diào)整pH可以維持溶膠狀態(tài)，或者將溶膠制成凝膠。可以利用高剪切的混合或提高pH使凝膠分散和穩(wěn)定化，然后可以通過再調(diào)整(降低)pH或者加入電解質(zhì)再次進行凝膠化。
因此，本發(fā)明可以提供這樣的溶膠，該溶膠包含主要的二氧化硅以及源自原始礦物原料的其它金屬氧化物，如氧化鈣、氧化鎂以及可能少量的其它金屬氧化物。也可以調(diào)整反應條件，如pH，以獲得具有所需顆粒尺寸的溶膠。二氧化硅溶膠通常可以具有1至1000nm的初級顆粒尺寸，然而適于本發(fā)明的顆粒尺寸是10至100nm。如此獲得的溶膠可以在溶膠生成之后直接制成凝膠，或優(yōu)選只在粘合劑施用于礦物纖維之前制成凝膠。溶膠還可以在最終產(chǎn)品成形時加熱或蒸發(fā)水分時制成凝膠。
當將該粘合劑用于礦棉生產(chǎn)時，礦棉制品的制備與本發(fā)明的粘合劑的加入可以方便地在常規(guī)的設(shè)備中進行。粘合劑可以以溶液的形式通過噴嘴施加到常規(guī)生產(chǎn)線的礦棉室中并分布于礦棉上。載有粘合劑的礦棉材料于室溫或升高的溫度下立即或稍后即發(fā)生固化。
如果需要或必須，該粘合劑還可以包含可能的其它固化劑、改性劑、粉塵粘結(jié)劑和/或疏水劑。
粘合劑溶液的噴灑以及添加劑的噴灑通常在纖維形成之后直接進行，優(yōu)選在礦棉室進行。這是一個優(yōu)點，因為此時的礦棉處于純潔的未污染的狀態(tài)，并且具有良好的粘結(jié)性。
粘合劑溶液可以通過離心器的粘合劑噴嘴噴灑到礦棉上，其中可以使用外圍的噴灑器或中央噴灑器。也可以使用兩種或多種不同的溶液添加到礦棉上，以便可能的改性劑和/或另外的固化劑通過一個或多個噴灑器添加，而粘合劑溶液則通過一個單獨的噴灑器添加。
但是，也可以在制備絕熱材料的后續(xù)步驟中將粘合劑溶液施用于礦棉，例如通過將粘合劑噴灑于傳送器上的初級網(wǎng)狀物上，甚至更晚的階段噴灑。也可以在這樣的單獨階段或更晚的階段施用另外的粘合劑，由此獲得抵抗力和/或強度改進了的材料。通過施用另外的添加劑于網(wǎng)狀物上，可以賦予材料以特殊的性能。
調(diào)整與粘合劑一起加到礦棉中的水量，以便提供正確的使用粘度和正確的網(wǎng)狀物濕度，并且防止發(fā)生粉塵。礦棉室中自礦棉蒸發(fā)出的任何水分，增加了施用于纖維的粘合劑的粘度，由此初級網(wǎng)狀物可以長期保持其彈性和可固化性(curability)。
對于普通的絕熱制品，粘合劑的量一般為干物質(zhì)重量的約1％至15％，例如1％至5％，但實際上可以依據(jù)所需的產(chǎn)品和粘合劑的反應活性而使用更多或更少的粘合劑。
當生產(chǎn)絕熱片時，這些絕熱片可以由礦物的網(wǎng)狀物適當?shù)夭们谐鰜?，該礦物網(wǎng)狀物通常是通過交疊初級網(wǎng)狀物至所需的厚度然后固化而制備的。
根據(jù)優(yōu)選的實施方案，礦物纖維網(wǎng)狀物在室溫下固化，例如在金屬片之間固化。這種金屬片需要較好的柔韌性，因為慢慢固化的纖維體比在高溫下固化的纖維體更柔韌和更具彈性。
根據(jù)另一優(yōu)選的實施方案，具有所需厚度的次級網(wǎng)狀物以未固化的狀態(tài)拉緊并儲存在非固化的環(huán)境中，例如在適當?shù)臏囟群陀邢薜臏y定期間密封在塑料包裝物中。這種絕熱材料現(xiàn)場用于不易安裝和具有難于使用的形狀的地方的絕熱。之后，使絕熱材料在通行的溫度下固化。將具有適宜厚度的絕熱材料或墊施用于各種難于接近的物體上或周圍，是比較容易的。固化無需特殊的措施或裝備，因為在通行的溫度下自然固化。
該方法還適用于吹制礦棉法，其中使用了未固化的碎裂成小簇的纖維材料，并在通行的溫度下固化礦棉。
還可以使用額外的添加劑，如另外的固化劑、改性劑、粉塵粘結(jié)劑和疏水劑。
根據(jù)本發(fā)明，另外的固化劑可以由無機鹽和化合物、適宜的酸、酯或醇或它們的組合來組成。所述的無機鹽可以為例如鎂、鋁或鈣鹽或化合物。例如磷酸是可以使用的酸。還可以使用緩沖的固化劑，以調(diào)整儲存時間。該另外的固化劑可以是上述的固化劑的組合。
粘合劑是通過將礦物材料溶解于堿性溶液如氫氧化鈉中而制備時，則產(chǎn)生水玻璃型的產(chǎn)品，但包含其它的金屬氧化物、不同的改性劑如有機和無機聚合物、纖維素和硅氧烷，例如可以使用硅有機聚合物作為添加劑。還可以使用固化期間通過改變pH和升高溫度而進行聚合的單體。所述的改性劑共同具有不成膜的事實。借助于改性劑，人們的目的是增加其對纖維表面的粘結(jié)性，同時提高粘合劑的彈性、耐水性、耐碳酸鹽化等。
作為粉塵粘結(jié)劑，可以使用醇、多元醇、成膜聚合物、膠凝聚合物、蠟、樹脂、油、脂肪、石蠟等。粉塵粘結(jié)劑的任務是將任何粉塵粘結(jié)起來，或者使其物理地(成膜)或化學地(表面活性)結(jié)合到本體(main matrice)上。在使用高溫固化時，可以使用熔化的粉塵粘結(jié)劑如硬脂酸酯或固化的粉塵粘結(jié)劑在本體的外面形成一層膜。大多數(shù)粉塵粘結(jié)劑同時具有抗水作用。
疏水劑的任務是防止水或水氣進入制品。作為疏水劑，可以使用硅烷、硅氧烷、油、各種疏水的化合物和疏水的淀粉。
已證實聚丁烯-硅烷組合物是特別優(yōu)秀的粉塵粘結(jié)劑和疏水劑。聚丁烯組分的作用是粉塵粘結(jié)劑，而硅烷組分的作用是疏水劑。
在不同的組分中，可以先混合相容的化合物，而不相容的化合物則須在施用之前即時混合或通過單獨的噴嘴施用。
根據(jù)本發(fā)明，還可以使用本發(fā)明的粘合劑粘結(jié)其它的材料，特別是顆粒的礦物材料，尤其是在含顆粒礦物材料的坯塊的制備中。這些坯塊是特別適用的礦棉生產(chǎn)的原料，盡管坯塊的其它用途也是可能的，如利用該粘合劑的優(yōu)異粘結(jié)特性的任何用途。例如，這種用途可以是制鐵的鐵礦坯塊中的用途。
用作制備這種坯塊的原料的顆粒礦物材料的組成當然依坯塊的用途的變化而變化。當該坯塊用于礦棉的生產(chǎn)時，顆粒礦物材料是根據(jù)要生產(chǎn)的纖維的希望的化學組成來選擇的。適宜的材料包括任何石頭和其它為此目的而通常使用的礦物材料，如石英砂、橄欖石礦砂、玻璃、玄武巖、礦渣、礦棉生產(chǎn)的廢料、石灰石、白云石、硅灰石等。坯塊是通過簡單地混合礦物材料與粘合劑而制備的，如果需要，同時加水以形成穩(wěn)定性適宜的混合物。該混合物或團塊可以使用本身已知的技術(shù)通過壓制或加壓振動而形成坯塊，并按有關(guān)的制備方法進行固化，或稍后進行固化。可以通過加熱來加速固化過程。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地確定粘合劑的用量?？梢蕴岬降膶嵗?，當用作礦棉生產(chǎn)坯塊的粘合劑時，粘合劑的用量，通常以干物質(zhì)計，約為產(chǎn)品干重的約1％至15％，如1％至5％，但是根據(jù)所需的產(chǎn)品及粘合劑的反應活性而使用更多或更少的粘合劑一般也是可以的。當用作金屬礦坯塊的粘合劑時，通常的用量大約為批料總重量的約1％至15％，如1％至5％。根據(jù)本發(fā)明，所得到坯塊具有良好的強度特性，包括良好的新生強度特性。
下面的實施例是對本發(fā)明的解釋而不是對本發(fā)明的限制。
實施例本發(fā)明的粘合劑可以按下列方式進行制備。
將7.5克纖維直徑3～4微米、纖維長度3～10毫米的一般的石棉纖維與100毫升5M的甲酸溶液混合。使用高剪切的混合器進行混合，以確保有效的混合，并加速溶解過程。溶解過程通常在1～2小時內(nèi)完成。當纖維完全溶解時，加入少量的聚合物，如約為溶液固體含量約1％重量的摩爾質(zhì)量為1000-10000的聚乙二醇。在加入聚合物期間，不斷地混合溶液，以使所形成的顆粒穩(wěn)定化。通過改變聚合物的加入量和加入時間，即所有纖維溶解的時間，可以改變?nèi)苣z顆粒的尺寸，以獲得最佳的膠凝和粘結(jié)特性。然后使膠體顆粒溶膠在連續(xù)的混合下保存，以確保聚合物吸附在顆粒的表面上。
當用作制備礦棉制品的粘合劑時，如此制備的粘合劑可以通過用常規(guī)的方法噴灑到礦棉纖維上來使用。通過升溫至約150℃，粘合劑固化并驅(qū)除過量的水。
所述的粘合劑還可以通過與混合器如Henschel型混合器中精細研磨的礦物原料混合而用作坯塊的粘合劑。加入少量的水有利于模具中的混合物的形成。固化可以通過升溫來實現(xiàn)，但是風干也是可以的。
權(quán)利要求
1.一種制備粘合劑的方法，包括以下步驟-將具有玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的顆粒礦物材料溶解于水溶液，以形成包含成核的再沉淀的材料顆粒的溶液，-使如此獲得的溶液穩(wěn)定化，以形成具有所需顆粒尺寸的溶膠，及任選地，-調(diào)整該溶膠的干物質(zhì)含量。
2.權(quán)力要求1的方法，其中所述的顆粒礦物材料是來源于礦物纖維生產(chǎn)的礦棉材料，如紡絲廢料、未使用的纖維或產(chǎn)品，或者消費之后的礦物纖維制品。
3.前述權(quán)力要求中任一項的方法，其中所述的溶液是通過改變pH或通過改變其電解質(zhì)特征來穩(wěn)定的。
4.前述權(quán)力要求中任一項的方法，其中所述的溶液是借助于表面活性劑和/或聚合物來穩(wěn)定的。
5.前述權(quán)力要求中任一項的方法，其中所述的水溶液是一種堿性溶液。
6.權(quán)力要求5的方法，其中該堿性溶液是堿金屬或銨或堿土金屬的氫氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽的溶液，優(yōu)選鈉、鉀、鋰或銨、或鈣或鎂的氫氧化物的溶液。
7.權(quán)利要求5或6的方法，其中該堿性溶液為0.1-2摩爾的堿性溶液。
8.權(quán)利要求1至4中任一項的方法，其中所述的水溶液是酸性的，其為無機或有機酸的溶液，優(yōu)選包含選自HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4、甲酸、乙酸或丙酸的溶液。
9.前述權(quán)力要求中任一項的方法，其中所述的穩(wěn)定化的溶膠具有5-60％重量的干物質(zhì)含量。
10.前述權(quán)力要求中任一項的方法，其中所述溶膠的顆粒尺寸為大約1至1000nm，優(yōu)選10至100nm。
11.前述權(quán)力要求中任一項的方法，其中所述的溶解在80-100℃的溫度下進行，優(yōu)選同時進行攪拌。
12.權(quán)利要求1的方法，其中在接觸要粘結(jié)的材料之前，將所得到的溶膠制成凝膠。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述的凝膠是通過改變pH和/或加鹽而形成的。
14.前述權(quán)力要求中任一項的方法，包括使粘合劑與顆粒礦物材料接觸的另外步驟，以制備礦棉制品，或用于礦棉生產(chǎn)的原料坯塊，或鐵礦坯塊。
15.制備礦棉制品的方法，包括以下步驟-將具有玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的顆粒礦物材料溶解于水溶液，以形成包含成核的再沉淀的材料顆粒的溶液，-使如此獲得的溶液穩(wěn)定化，以形成具有所需顆粒尺寸的溶膠并形成粘合劑溶液，及任選地，-調(diào)整該粘合劑溶液的干物質(zhì)含量，和-使如此得到的粘合劑與礦棉纖維接觸，以粘結(jié)礦棉纖維。
16.權(quán)利要求15的方法，其中在接觸礦棉纖維之前，將所得到的溶膠制成凝膠。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述的凝膠是通過改變pH和/或加鹽而形成的。
18.權(quán)利要求15的方法，其中所述的粘合劑在纖維形成之后立即與纖維接觸。
19.權(quán)利要求15的方法，其中該粘合劑施用于由纖維制成的礦棉網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備粘合劑的方法,特別是用于礦棉制品的粘合劑的制備方法,該方法包括如下步驟:將具有玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的顆粒礦物材料溶解于水溶液,使如此的道的溶液成核和穩(wěn)定化以形成具有所需顆粒尺寸的溶膠,以及任選地調(diào)整該溶膠的干物質(zhì)含量。本發(fā)明還涉及利用所述的粘合劑粘結(jié)纖維以制備礦棉制品的方法。
文檔編號D04H1/64GK1358243SQ00809438
公開日2002年7月10日 申請日期2000年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月24日
發(fā)明者邁克爾·佩蘭德, 鮑勃·塔林, 瓊·萊貝爾 申請人:帕羅克集團公司