DE60036221T2

DE60036221T2 - Glasszusammensetzung zur herstellung ultrafeiner fasern

Info

Publication number: DE60036221T2
Application number: DE60036221T
Authority: DE
Inventors: Jon Frederick Castle Rock Bauer; Foster Laverne Castle Rock Harding; Harry Hand Evergreen RUSSELL
Original assignee: Johns Manville International Inc
Current assignee: Johns Manville
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: EP1235755B1; US6472469B2; ATE371631T1; WO2001046078A2; AU5075901A; US20010036996A1; EP1235755A2; EP1235755A4; DE60036221D1; WO2001046078A3; US6656861B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft Glaszusammensetzungen, die besonders für die Herstellung von ultrafeinen Fasern für Filtration- und Separationsanwendungen einsetzbar sind. Fasern, hergestellt aus dem offenbarten Glas, zeigen die notwendigen Eigenschaften der Feuchtigkeitsbeständigkeit, chemischen Beständigkeit und Festigkeit, sowie ausgezeichnete Biolöslichkeit.
Beschreibung des Standes der Technik:
Glasbildende Zusammensetzungen, die zur Faserbildung geeignet sind, sind typischerweise durch ihre Schmelz- und Endeigenschaften eingeschränkt, um Verarbeitungsspezifikationen und Produktleistungskriterien zu entsprechen. Z.B. sind sowohl bei Rotations- als auch bei Flammenverzugsverfahren lediglich gewisse Werte für Hochtemperaturviskosität (T bei 10³ Poise) und Liquidus akzeptabel. Darüber hinaus müssen solche Zusammensetzungen angemessene physikalische Eigenschaften, wie z.B. Zugfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit zeigen, wenn sie durch diese Prozesse zu Fasern geformt werden. Zusätzlich wurde es in letzter Zeit zunehmend wichtiger, dass sich diese Fasern mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten im Körper abbauen, sodass sie geringes oder kein potenzielles Risiko für Menschen besitzen, wenn sie inhaliert werden, und dass nicht zuletzt gezeigt werden kann, dass sie eingeschränkte biologische Wirkung für Labortiere haben, wenn diese untersucht werden.
Eine gut glasfaserbildende Zusammensetzung sollte auch gute „Lauffähigkeit" haben, die Fähigkeit, leicht zu langen Fasern mit kleinem Durchmesser mit guten Herstellungsgeschwindigkeiten und geringem oder keinem Ausschuss verfasert zu werden. Während viele Faktoren damit verknüpft sind, von denen nicht alle eindeutig identifiziert wurden, wird angenommen, dass Oberflächenspannung und das Fehlen einer Tendenz der Schmelze, sich in Phasen zu trennen, Schlüsselrollen spielen. Insbesondere ist es für eine Glaszusammensetzung erwünscht, eine so geringe Oberflächenspannung bei den Verfaserungstemperaturen wie möglich zu haben (wobei die anderen Faktoren oben in Betracht gehalten werden müssen), sodass die Arbeit, die getan wird, um eine Einheitsfläche der Oberfläche zu bilden, auf einem Minimum gehalten wird.
Alle diese Faktoren sind insbesondere wichtig bei der Herstellung von ultrafeinen Fasern, die verwendet werden, um Spezialitätenpapiere und andere Medien für Luft- und Flüssigkeitsfiltrationsanwendungen herzustellen. Z.B. sind Glasfaserprodukte mit feinem Durchmesser, die für die Endbenutzungsanwendung als HEPA-Reinraumfilter gedacht sind, seit vielen Jahren bekannt, z.B. die Glasfaserprodukte, die von Johns Manville International Inc. unter dem Warenzeichen MICROFIBER vermarktet werden. Diese HEPA-Reinraumfilter werden in der medizinischen, pharmazeutischen und Mikroelektronikindustrie in Situationen verwendet, bei denen ultrareine Luft erforderlich ist. Solche Anwendungen stellen einige signifikante Anforderungen an das Glas in Bezug auf sowohl die Verfaserung als auch die Endeigenschaften. Spezifische Erfordernisse können wie folgt sein.
Das Glas muss dazu fähig sein, bei Temperaturen, die niedrig genug für die Möglichkeiten der Anlage sind, schmelzbar und zu Fasern verformbar zu sein, um angemessene (ökonomische) Herstellungsraten anzunehmen. Dies erfordert, dass der HTV-Wert des Glases (Temperatur, wenn die Schmelzviskosität 1000 Poise ist) geringer als 2025°F (1107°C) ist und die Oberflächenspannung des Glases bei 1642°F (900°C) weniger als 315 dyn/cm ist.
Das Glas darf in den Schmelzvorrichtungen, Töpfen, Durchführungen oder irgendwo in dem System, das verwendet wird, um das Glas zu schmelzen, zu enthalten, zu transportieren oder zu verfasern, nicht kristallisieren oder entglasen. Kristallisation beeinträchtigt den Fluss der Schmelze zu den Verfaserungsöffnungen. Um Entglasen zu verhindern, muss die Liquidustemperatur des Glases vorzugsweise zumindest 350°F (194°C) unterhalb der HTV sein.
Das Glas darf nicht korrodieren oder nachteilige Reaktionen mit Metallteilen oder feuerfesten Materialien eingehen, die verwendet werden, um die Schmelze oder die sich neu bildende Faser zu enthalten. Auch muss das Glas dazu fähig sein, zu ultrafeinen Durchmessern (so niedrig wie 0,2 μm) ohne Bruch zu kurzen Längen gezogen zu werden.
Das Glas darf keine übermäßige Verflüchtigung während des Schmelzens oder der Faserbildung erzeugen. Verflüchtigung führt zu Zusammensetzungsvariationen, erhöhter Korrosion von feuerfesten Materialien, erhöhten Emissionen und, wenn flüchtige Stoffe kondensieren, zu unakzeptablen Staubgehalten in dem Produkt.
Das Glas muss der Faser eine Festigkeit zur Verfügung stellen, geeignet, um Fasern zu bilden, die feucht oder trocken (Luft) zu Papieren oder Filzen verarbeitet werden können und all jene Erfordernisse erfüllen (Zug, Dehnung), die für das Papierprodukt erforderlich sind. Aufgrund seiner hohen spezifischen Oberfläche muss das Glas auch ausreichende chemische Beständigkeit haben, insbesondere bezüglich der umgebenden Atmosphärenfeuchtigkeit, sodass wenig bis keine Beeinträchtigung der Faserfestigkeit mit der Zeit während des Verpackens, Versendens und des Lagers vor der Verwendung bei einem Papierherstellungsverfahren auftritt. Verlust der Faserfestigkeit korreliert mit einem Anstieg des Faseroberflächenbereiches, gemessen durch BET-Verfahren (unter Verwendung von Krypton). Nach Behandeln von Fasern bei 122°F (50°C) für 72 Stunden sollte die Veränderung in der Oberfläche weniger als 10% sein. Glas muss auch ausreichend haltbar und beständig gegen Feuchtigkeitsangriff nach Kontakt mit Siebwasser (whitewater) oder anderen Medien sein, die in dem Papierherstellungsverfahren verwendet werden, sodass wenig bis keine Beeinträchtigung in der Zeit auftritt, nach welcher sich die Faser in einem Papierprodukt befindet.
Da die Faser einen sehr dünnen Durchmesser hat und eingeatmet werden kann, muss sie ebenfalls im Körper mit einer Geschwindigkeit abbauen die ausreichend schnell ist, sodass sie keine Atemwegserkrankungen erzeugt, insbesondere chronische Erkrankungen, wie z.B. Emphysem oder Krebs. Gemessene in vitro-Auflösungsgeschwindigkeiten für die Faser in simulierter physiologischer Kochsalzlösung (k_dis) müssen größer als 100 ng/cm² Std. sein. Eine solche Biolöslichkeitsleistung ist schwierig zu erreichen, wenn die Bioauflösung gegen Eigenschaften wie z.B. ausreichende Festigkeit für ultrafeine Fasern ausbalanciert wird. Es ist insbesondere schwierig mit Bezug auf flammenerstreckte Fasern zu erreichen.
Bei der Herstellung von flammenerstreckten Fasern werden die Glasfasern Temperaturen ausgesetzt, die sehr viel höher liegen als bei einem Rotationsverfahren. Die höheren Temperaturen verursachen einen Verlust der flüchtigeren Verbindungen der Glaszusammensetzung aus dem Äußeren der Fasern, was in einer „Hülle" resultiert, die eine andere Zusammensetzung hat als das Faserinnere. Als ein Ergebnis ist die Biolöslichkeit von Glasfasern, die aus „pot and marble" oder anderen flammenerstreckten Glasfasern hergestellt wurden, nicht die gleiche wie bei denjenigen, die aus dem Rotationsverfahren erhalten werden. Da sich Glasfasern notwendigerweise von den Faserenden her oder dem zylindrischen Äußeren her auflösen müssen, wird eine stärker resistente Hülle die Auflösungsgeschwindigkeit dramatisch behindern. Fasern, die eine solche Hülle haben, die flammenerstreckt sind, werden auch durch das Stabverfahren oder direkte Schmelzverfahren hergestellt. Diese letzteren Verfahren beinhalten das Befördern von Rohmaterialien in jeglicher Form zu einer Öffnung oder Durchführung, um Primärfasern zu bilden, die dann flammenerstreckt werden, wie in einem „pot and marble"-Verfahren. Während flammenerstreckte Fasern ausgezeichnete chemische und Feuchtigkeitsbeständigkeit auf Grund ihrer Kern/Schale-Struktur zeigen, kann die Biolöslichkeit der Fasern ein Problem sein.
Glasfasern müssen auch in Papierherstellungsmedien, wie z.B. sauerem Siebwasser, auswaschbar sein, sodass sich hydrolytische Bindungen zwischen ausgewaschenen Faseroberflächen bilden können, wenn das Papier getrocknet wird. Solche Bindungen stellen Festigkeit und eine strukturelle Integrität in dem Endprodukt zur Verfügung. Eine zu große Auswaschrate kann jedoch die Faser mit einer porösen Oberflächenstruktur zurücklassen, die zu empfindlich für Feuchtigkeitsangriff ist, nachdem das Papier gebildet wurde. Für eine einstündige Beständigkeit in simuliertem Siebwasser (H₂SO₄ pH 2,5) bei 77°F (25°C) sollten Gesamtauswaschraten zumindest 0,2 μg/cm² Std. sein, aber weniger als 0,7 μg/cm² Std.
Glasfasern müssen auch gute Leistung bei Probeblättern haben, sowohl bei der anfänglichen Zugfestigkeit, als auch beim Verlust der Zugfestigkeit über die Zeit. Dies wird bestimmt durch Bestimmung der Belastung bis zum Versagen bei einer Messlänge von 4'' (10,2 cm) für mechanisch gebildete Probeblätter. Für Probeblätter, hergestellt aus Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 1 μm, sollten die anfänglichen Zugfestigkeiten zumindest 1,8 lbs sein, ohne statistisch signifikanten Verlust in der Zugfestigkeit nach Alter bei 95°F (35°C) und 95% relativer Feuchtigkeit für bis zu 168 Std.
Die Glasfasern müssen auch gute Leistung bei doppelt gefalteten Probenblättern zeigen, sowohl bei der anfänglichen Zugfestigkeit als auch beim Verlust der Zugfestigkeit über die Zeit. Dies wird bewertet durch Bestimmung der Belastung beim Versagen bei einer Zuglänge von 4'' (10,2 cm) für die Probenblätter, deren Eigenschaften oben definiert sind. Für Probenblätter, die aus Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 1 μm hergestellt wurden, sollten anfängliche gefaltete Zugfestigkeiten zumindest 0,7 lbs sein. Zugfestigkeit nach Alter bei 95°F (35°C) 95% relativer Feuchtigkeit für bis zu 168 Std. sollte einen exponentiellen Abfall mit t½ von nicht weniger als 250 Tagen zeigen. Die Glasfasern müssen auch gute Eigenschaft bei der Mattendehnung haben, gemessen sowohl bei direkten wie auch bei gefalteten Zugtests wie oben beschrieben. Dehnung misst die Integrität der Bindung von Faser zu Faser und kann sowohl der Verarbeitbarkeit des Papiers als auch seiner Leistung im Produkt zugeordnet werden (z.B. Falten, etc.). Für Probenblätter, hergestellt aus Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 1 μm und Basisgewicht wie oben definiert, sollte die Dehnung in jedem Test weniger als 1% beim Versagen sein. Veränderung in der Dehnung beim Alter unter den obigen Bedingungen sollte weniger als 30% sein.
Das Erreichen der Herstellung von ultrafeinen Glasfasern mit der erforderlichen Festigkeit, chemischen und Feuchtigkeitsbeständigkeit, während ebenfalls akzeptable Biolöslichkeit gezeigt wird, ist recht herausfordernd. Die Industrie würde solche Glasfasern recht geeignet finden. Demzufolge sind Glaszusammensetzungen, die geeignet sind zur effizienten Herstellung von ultrafeinen Fasern für die Verwendung in Spezialpapieren und insbesondere in Medien für Luft- und Flüssigkeitsfiltrationsanwendungen, wo die erforderliche Biolöslichkeit und Festigkeitsleistung realisiert sind, stark erwünscht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind besonders verwendbar für die Herstellung von ultrafeinen Fasern für Filtrations- und Separationsanwendungen. Die erfindungsgemäßen Gläser erfüllen alle physikalischen und chemischen Kriterien, einschließlich dem für die Auflösungsgeschwindigkeit. Der Zusammensetzungsbereich, in welchem Glasfasern, die diese Kriterien erfüllen, gebildet werden können (ausgedrückt in mol-% der Glaszusammensetzung) ist wie folgt:

SiO₂ 62 bis 68

ZrO₂ 0 bis 3

Al₂O₃ 0,1 bis 2

B₂O₃ 7 bis 12

CaO 1,5 bis 3,5

MgO 0 bis 3,5

BaO 0 bis 3

ZnO 2 bis 5

Na₂O 8 bis 14

K₂O 0 bis 3,5

F₂ 0 bis 1,5
Die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen sind insbesondere dafür geeignet, Glasfasermedien zur Verfügung zu stellen, die für die Herstellung von HEPA-Luftfiltrationssystemen für Reinraumanwendungen nützlich sind. HEPA-Glasmedien werden aus einem Blend aus Glasfasern mit feinem Durchmesser hergestellt, rangierend von 0,2 bis 2 Mikron. Diese Produkte werden auf hohe Filtrationseffektivitätswerte bewertet, während einigermaßen geringe Druckverlustcharakteristiken aufrechterhalten werden.
Die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen und Fasern zeigen Stabilität in feuchten sauren Umgebungen und Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeitsangriff während Lagerung unter feuchten Umgebungsbedingungen, was zwei wichtige Eigenschaften von Glasfasern sind, die in HEPA-Filtrationsanwendungen verwendet werden. Zusätzlich hat das erfindungsgemäße Glas Viskositäts- und Liquidustemperatureigenschaften, die mit Glasfaserherstellungstechnologien kompatibel sind, die verwendet werden, um Fasern mit feinem Durchmesser herzustellen, insbesondere Flammenverstreckungsverfahren. Die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen und -fasern zeigen auch ausgezeichnete Biolöslichkeit, sodass die Fasern mit einer hohen Geschwindigkeit im Körper abbauen, wenn sie inhaliert wurden, was eine Eigenschaft ist, die zunehmend wichtiger wird.
Unter anderen Faktoren wurde gefunden, dass die Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden können, um Glasfasern mit irgendeinem Verfahren herzustellen, einschließlich Flammenerstreckung oder Rotation, die notwendige chemische und Festigkeitseigenschaften zeigen, sowie Verarbeitungscharakteristiken besitzen, um die wirksame Herstellung der Fasern für die Verwendung in Papier- und Filtrationsprodukten zu ermöglichen. Besondere Anwendung wird für ultrafeine Fasern und Filterprodukte gefunden. Darüber hinaus erlauben die Glaszusammensetzungen solche chemischen und Festigkeitscharakteristiken, während auch gute Biolöslichkeit offeriert wird. Dies geschieht durch eine Balance der Komponenten der Glaszusammensetzung, sodass solch eine Balance von Eigenschaften möglich ist, wobei sich diese Balance in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zeigt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen, aus welchen Glasfasern, insbesondere ultrafeine Glasfasern, hergestellt werden können, die die erforderliche Festigkeit, chemische und Feuchtigkeitsbeständigkeit und Biolöslichkeit zeigen, sind wie folgt, ausgedrückt in mol-% der Glaszusammensetzung:

SiO₂ 62 bis 68

ZrO₂ 0 bis 3

Al₂O₃ 0,1 bis 2

B₂O₃ 7 bis 12

CaO 1,5 bis 3,5

MgO 0 bis 3,5

BaO 0 bis 3

ZnO 2 bis 5

Na₂O 8 bis 14

K₂O 0 bis 3,5

F₂ 0 bis 15
Die vorhergehenden Zusammensetzungen offerieren eine ausgezeichnete Balance der Eigenschaften, wenn sie dazu verwendet werden, Glasfasern herzustellen. Unter den wichtigsten Bestandteilen, um die Zusammensetzung zu kontrollieren, ist Al₂O₃ und ZnO. Der Al₂O₃-Gehalt ist allgemein von 0,1 bis 2 mol-%, was gute Biolöslichkeit und ausreichende chemische Beständigkeit und Zugfestigkeit ermöglicht, um Glasfasern mit ultrafeinem Durchmesser herstellen zu können, z.B. einen Durchmesser < 2 μm, stärker bevorzugt weniger als 1 μm. Es wurde gefunden, dass die Gegenwart von ZnO in dem Bereich von 2 bis 5 mol-% gute Feuchtigkeitsbeständigkeit ermöglicht, ohne die Biolöslichkeit zu umfassen. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass eine geringe Menge an ZrO₂ in den erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen vorhanden ist, obwohl dies nicht erforderlich ist. Die Menge an CaO und MgO wird in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ebenfalls recht gering gehalten, wobei die kombinierte Menge weniger als 7% ist und vorzugsweise weniger als 5%. Das niedrig halten von Ca und Mg ermöglicht eine geringe Liquidustemperatur.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Glaszusammensetzung und die daraus hergestellten Fasern in mol-% auf:

SiO₂ 64 bis 66

ZrO₂ 0 bis 2

Al₂O₃ 0,4 bis 1,5

B₂O₃ 10 bis 12

CaO 1,5 bis 2,5

MgO 0,5 bis 2,5

BaO 2,0 bis 2,5

ZnO 3,0 bis 4,5

Na₂O 9 bis 13

K₂O 0,1 bis 3,0

F₂ 0 bis 1,5
Das zur Bewertung der Bioauflösungsgeschwindigkeit verwendete Verfahren ist ähnlich zu demjenigen, das in Law et al. (1990) beschrieben ist. Das Verfahren besteht im Wesentlichen aus dem Auswaschen eines 0,5 Gramm Aliquants des Faserkandidaten in einer synthetischen physiologischen Flüssigkeit, bekannt als Gamble's Fluid, oder einer synthetisch extrazellulären Flüssigkeit (SEF) bei einer Temperatur von 37°C und einer Geschwindigkeit, die so eingestellt ist, um ein Verhältnis von Flussrate zu Faseroberflächenbereich von 0,02 cm/Std. bis 0,04 cm/Std. für einen Zeitraum von bis zu 1000 Stunden Dauer zu erreichen. Fasern werden in einer dünnen Schicht zwischen 0,2 μm Polycarbonat-Filtermedium gehalten, zusammengebacken mit Kunststoffträgemetz, und die vollständige Einheit wird in eine Polycarbonat-Probenzelle eingebracht, durch die das Fluid hindurchsickern kann. Der Fluid-pH wird durch die Verwendung von positivem Druck mit 5% CO₂/95% N₂ über das Flusssystem hinweg auf 7,4±0,1 reguliert.
Elementaranalyse unter Verwendung von induktiv gekoppelter Plasmaspektroskopie (ICP) von Flüssigkeitsproben, die bei spezifischen Zeitintervallen genommen werden, werden verwendet, um die Gesamtmasse des aufgelösten Glases zu berechnen. Aus diesen Daten kann eine Gesamtgeschwindigkeitskonstante für jeden Fasertyp aus der Relation: k = [d0ρ(1-(M/M0)0,5])/2tberechnet werden, wobei k die Auflösungskonstante in SEF ist, d₀ der anfängliche Faserdurchmesser, ρ die anfängliche Dichte des Glases, welches in die Faser enthält, M₀ die anfängliche Masse der Fasern, M die Endmasse der Fasern (M/M₀ = Masse der verbleibenden Fraktion) und t die Zeit ist, über welche die Daten genommen werden. Details der Ableitung dieser Relation werden von Leinweber (1982) und Potter und Mattson (1991) geben. Werte für k können in ng/cm²/Std. angegeben werden und übersteigen vorzugsweise einen Wert von 100. Wiederholungsläufe mit verschiedenen Fasern in einem gegebenen Probensatz zeigen, dass k-Werte innerhalb 3% für eine gegebene Zusammensetzung konsistent sind.
Daten, die aus dieser Bewertung erhalten wurden, können wirksam mit dem gewählten Probensatz korreliert werden, Auflösungsdaten, die verwendet werden, um k's abzuleiten, werden unter identischen Bedingungen von anfänglichen Probenoberflächenbereichen pro Volumen Fluid pro Zeiteinheit und Probenpermeabilität erhalten. Daten werden aus Durchläufen von bis zu 30 Tagen erhalten, um eine genaue Repräsentation der Langzeitauflösung der Fasern zu erhalten. Bevorzugte Bioauflösungsgeschwindigkeitskonstanten in ng/cm²/Std. sind größer als 100 ng/cm²/Std. und stärker bevorzugt größer als 110 ng/cm²/hr, besonders bevorzugt größer als 130 ng/cm2/Std..
Die erfindungsgemäßen Glasfasern können dabei einen der Vorteile einer Faser mit Kern/Schale-Struktur bezüglich der Feuchtigkeitsbeständigkeit offerieren, während sie sich auch guter Biolöslichkeit erfreuen, wenn die erfindungsgemäßen Glasfasern durch ein Verfahren hergestellt wurden, das Flammenerstreckung beinhaltet, wie z.B. das Stabverfahren, direkte Schmelzverfahren oder pot-and-marble-Verfahren, wobei das Anwenden des pot-and-marble-Verfahrens besonders bevorzugt ist. Wie zuvor erwähnt werden die Primärfasern in einem Flammenverstreckungsverfahren höheren Temperaturen als in einem Rotations- oder kontinuierlichen Filamentverfahren ausgesetzt. Die Primärfasern werden mit einer ausreichend hohen Temperatur in Kontakt gebracht, um aufgrund des Verlusts der flüchtigeren Verbindungen der Glaszusammensetzung aus der Außenseite der Fasern eine Schale zu erzeugen. Die resultierende Faser hat eine äußere Hülle, die eine andere Zusammensetzung hat als das Faserinnere.
Die Primärfasern werden typischerweise aus einer Vielzahl von Öffnungen durch einen Satz von Ziehwalzen oder anderen relativ langsamen Zugvorrichtungen gezogen, die sowohl die Primärfasern in einer kontrollierten Art und Weise ziehen, als auch die Primärfasern in die Flammenverstreckungszone zuführen. Synchronisierte Paare oder Sätze von Walzen werden verwendet, um alle Primärfasern mit der gleichen Geschwindigkeit zu ziehen.
Die Primärfasern werden durch Öffnungen gezogen, die entweder in einer kreisförmigen oder einer rechtwinkligen Anordnung angeordnet sein können. Die kreisförmige Anordnung tritt allgemein am Boden eines zylindrischen Superlegierungstopfes auf, der verwendet wird, um zuvor geschmolzenes Glas in Murmelform wieder aufzuschmelzen. Diese Variante, bekannt als pot-and-marble, hat einen zylindrischen Topf mit Ringen von Öffnungen im Boden und einer externen Verbrennungskammer um die Seiten des Topfes herum. Murmeln werden bei Umgebungstemperatur in den Topf zugeführt und unter Verwendung von Strahlungswärme von der äußeren Verbrennungskammer her erwärmt. Die Murmeln verbinden sich und bilden einen geschmolzenen Vorrat oberhalb der Öffnungen, von dem die Primärfasern gezogen werden.
Öffnungen können auch in Reihen im Boden von Durchführungen angeordnet sein, die typischerweise rechtwinklige feste Vorratsbehälterdesigns aus elektrisch erwärmter Edelmetall- oder Superlegierungskonstruktion sind. Die Durchführungen können dazu ausgelegt sein, um Glas zu Murmeln oder anderen geometrischen Formeln wieder einzuschmelzen ähnlich wie es in dem oben beschriebenen pot-and-marble-Verfahren getan wird. Alternativ können die Durchführungen mit geschmolzenem Glas aus kleinen Glasschmelzeinheiten gefüllt werden, die wiederum mit einer Charge gefüllt werden, die eine Mischung aus den geeigneten Rohmaterialien für die gewünschte Glaszusammensetzung ist. Die Charge wird in der Schmelzeinheit durch Aufbringen von entweder elektrischer Energie oder Feuerbrenner für fossilen Brennstoff geschmolzen. Nach dem Schmelzen und dem Raffinieren wird die Temperatur des geschmolzenen Glasbades in kontrollierter Art und Weise abgekühlt, um die Durchführungen mit Glas bei der geeigneten Temperatur zu versorgen.
Während die Herstellung der erfindungsgemäßen Glasfasern durch Flammenerstreckung bevorzugt ist, können die Glasfasern durch jedes herkömmliche Verfahren hergestellt werden, einschließlich des Rotationsverfahrens. Das Verfahren zur Herstellung der Glasfasern wird von der letztendlichen Anwendung oder dem Produkt vorgeschrieben, in welchem die Faser verwendet werden soll. Einige Variationen innerhalb der Bereiche der Zusammensetzungen können ebenfalls notwendig sein, um das Glas für eine spezielle Anwendung zu optimieren.
Die Anwendungen, für welche die ultrafeinen Fasern geeignet sind, beinhalten viele Spezialpapiere und Separationsfilter. Die erfindungsgemäßen Fasern sind nicht nur geeignet für die Flammenverstreckungs- oder Rotationsvearbeitung zu feinen Glasfasern, sondern die aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen hergestellten Fasern sind auch geeignet beständig gegen Angriff von saurem Siebwasser und die resultierenden Spezialfaserglaspapiere zeigen ausreichende Feuchtigkeitsbeständigkeit, um der Handhabung und dem Falten zu HEPA-Filtern zu widerstehen.
Das Verfahren zur Herstellung von Spezialpapier, das verwendet wird, um HEPA-Medien herzustellen, beinhaltet das Dispergieren der Glasfasern in einer sauren Suspension, die als „Siebwasser" bezeichnet wird, durch Papierhersteller. Wie zuvor beschrieben müssen Glasfasern, die für HEPA-Filter geeignet sind, Eigenschaften haben, die es ihnen erlauben, in dieser Umgebung adäquat zu funktionieren. Eine Simulation für das vollständige Papierherstellungsverfahren basiert auf der Herstellung von „Probeblättern" aus Glasfasern mit mittleren Faserdurchmessern von etwa 0,7 Mikron und hergestellt aus den verschiedenen Glastestzusammensetzungen, die untersucht werden. Diese Probeblätter sind ein Ersatz für tatsächlich kommerziell hergestellte Spezialpapiere. Proben für Zugtests werden aus den Probeblättern geschnitten und auf Zugfestigkeit als eine Funktion der Behandlungszeit unter kontrollierten Feuchtigkeitsbedingungen untersucht. Sowohl gerade Zugfestigkeits- als auch gefaltete Zugfestigkeitstests werden typischerweise vorgenommen, wobei die letzteren dazu verwendet werden, die Faltungsoperation bei der Filterherstellung zu simulieren. Die Größe und Menge, sowie die Art der „Säurebindungen", die während des feuchten Siebwasserverfahrens gebildet wurden, bestimmen die Zugfestigkeit der Glasfaserpapierblätter, die auf der Spezialpapierherstellungsausrüstung hergestellt werden. Es ist erwünscht, dass an der Faseroberfläche während des Siebwasserverfahren als ein Ergebnis des schwachen Säureangriffs durch eine typische H₂SO₄ Lösung mit pH 2,0–pH 3,0 eine klebrige Hydrosilikagelschicht gebildet wird. An den Faserverbindungen beschleunigen solche Hydrosilikagelschichten die Bildung von erwünschten Bindungen zwischen Glasfasern, um den Probeblättern oder Papieren gute mechanische Festigkeit zu verleihen.
Gerade Zugfestigkeit (null-Feuchtigkeits-Behandlung) sollte gut mit dem Wert von Ionen korrelieren, die aus den Fasern durch das saure Siebwasser ausgewaschen werden. Wenn die Fasern eine zu geringe Menge an Ionen freisetzen, ist die Bindung zwischen Fasern schwach und die anfängliche Zugfestigkeit ist zu niedrig. Wenn die Fasern zu ernsthaft angegriffen werden, werden die Fasern geschwächt und leicht zerbrochen, wobei die resultierende Probeblattzugfestigkeit wiederum zu niedrig ist. Daher können akzeptable HEPA-Glaszusammensetzungen durch eine optimale Menge an Faserangriff durch das sauere Siebwasser charakterisiert werden, bestimmt durch die Probeblatt-Testergebnisse.
Der folgende Labortest wurde entwickelt, um die Auflösung zu simulieren, die Glasfasern in dem Siebwasser der Papierhersteller erfahren: 0,2 Gramm Fasern werden mit 100 ml Schwefelsäurelösung mit pH 2,50 für eine Stunde bei Raumtemperatur behandelt. Die resultierende Lösung wird durch induktiv gekoppeltes Plasma „ICP" analysiert und die gelösten Ionen werden in Teilen pro Billion (ppb) angegeben. Nach Messung der Faserdurchmesserverteilung der Fasern und Berechnen ihres Oberflächenbereiches pro Gramm, oder alternativ Messung des Oberflächenbereiches durch das BET-Verfahren (ein weit verbreitet verwendetes und bekanntes Verfahren zur Messung des Oberflächenbereiches) können die Säureauflösungsergebnisse für verschiedene Faserzusammensetzungen durch Normalisierung auf einen allgemeinen Oberflächenbereich verglichen werden. Ein normalisierter Oberflächenbereich von 2,5 m²/g wird verwendet. Experimentelle Glasformulierungen können mit den Ergebnissen, die für ein herkömmliches Glas erhalten werden, als ein Teil einer Bewertung über ihre Eignung für HEPA-Filtrationsmedien verglichen werden.
Nach Behandlung mit den saueren Papierherstellungsbedingungen müssen die resultierenden Glasfaserpapiere atmosphärischer Feuchtigkeit während der Filterherstellung und während sie anschließend als Filtrationsmedium dienen widerstehen. Eine Anzahl von Annäherungen wurde verwendet, um die Beständigkeit einer Glasfaser gegenüber feuchten Umgebungen zu bewerten. Ein allgemein verwendetes Kriterium ist ein Wasserbeständigkeitstest, bei welchem der Gewichtsverlust der Faser bestimmt wird, wenn sie mit Wasser bei 205°F (96°C) 24 Stunden behandelt wird. Ein weiterer manchmal verwendeter Test beinhaltet die Bewertung des Verlusts der Festigkeit einer Faser als eine Funktion der Alterungszeit in einer feuchten Umgebung. Dieses Ergebnis kann durch Messung des Abfalls der Zugfestigkeit als eine Funktion der Feuchtigkeitsbehandlungszeit (bezeichnet als „Feuchtigkeitsalterung") charakterisiert werden. Im Feuchtigkeitsalterungstest werden Probeblattpapiere aus Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von 0,65 Mikron hergestellt. Die Probeblattproben werden dann in der Feuchtigkeitskammer bei 95°F und 90% relativer Feuchtigkeit gealtert. Zugtestes werden an Proben nach Alterung für verschiedene Zeiträume ausgeführt, um die Leistung dieser Fasern zu bestimmen. Zugtestes bestehen sowohl aus Tests der geraden als auch der gefalteten Proben. Die erfindungsgemäßen Glasfasermedien haben anfangs gerade und gefaltete Zugfestigkeit von oberhalb 4 lbs/in bzw. 2 lbs/in und weniger als 50% Verlust der Zugfestigkeit nach eine Woche Alterung. Ein Feuchtigkeitsalterungstest ist bevorzugt, da er die kommerziell wichtigen Bedingungen besser repräsentiert.
Die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen haben Eigenschaften, die ihnen erlauben, durch herkömmliche Flammenverstreckungsverfahren, wie sie in der Glasherstellungstechnik bekannt sind, zu Fasern verarbeitet zu werden. Solche Verfahren sind wie oben diskutiert bevorzugt, insbesondere für Filteranwendungen, da sie die Glasfasern mit feinem Durchmesser herstellen, die für HEPA-Luftfiltration erforderlich sind. In einigen Fällen werden jedoch die leicht groberen Fasern, die oftmals in Kombination mit den feinen Fasern in einigen Luftfiltern verwendet werden, durch herkömmliche Rotationsverfaserungstechnologien hergestellt. Daher können die erfindungsgemäß bevorzugten Glaszusammensetzungen in beiden Verfahren verwendet werden. Insbesondere haben die erfindungsgemäßen Gläser eine Viskosität, die bei Verfaserungstemperaturen ausreichend gering ist, um annehmbare Verfaserungsgeschwindigkeiten und Effektivitäten beim Flammenverstreckungsverfahren zu realisieren, und die Verwendung von teueren Edelmetalllegierungen (typischerweise Pt-Rh-Legierung) als Durchführung, Topf oder Spinnmaterial zu vermeiden.
Die erfindungsgemäß bevorzugten Fasern für das HEPA-Filtermedium sind flammenerstreckte Fasern. Diese Fasern werden durch kontinuierliches Ziehen von primären Glasfilamenten aus einer Durchführung, Stab oder Topf und Einbringen dieser kontinuierlichen primären Glasfilamente in die Hochenergiegasflamme eines Flammenverstreckungs-Brenners, wie z.B. eines Selasbrenners, gebildet, wo die kontinuierlichen Filamente nochmals erwärmt, verstreckt und zu Stapel- oder Glasfasern mit endlicher Länge mit feinem Durchmesser vom gewünschtem Durchmesser, wie allgemein zuvor beschrieben, geformt werden.
Die erfindungsgemäßen Gläser haben vorzugsweise eine HTV von weniger als 2200°F und idealerweise weniger als 2025°F, um für die Flammenerstreckung geeignet zu sein. Gläser mit HTV-Werten von größer als 2200°F werden allgemein ineffizient bei Flammenverstreckungsverfahren mit geringen Produktionsgeschwindigkeiten unter Verwendung von Pt-Rh-Legierung als Durchführungsmaterialien verarbeitet.
Bevorzugte Glaszusammensetzungen haben eine Liquidustemperatur, die zumindest 250°F unterhalb der HTV ist, stärker bevorzugt von 250°F–300°F unterhalb der HTV, um die Entglasungs (Kristalisations)-Probleme während nicht-rotierender, pot-and-marble- oder anderer Flammenverstreckungsverfaserungsverfahren zu vermeiden.
Nachdem die Erfindung allgemein beschrieben wurde kann ein weiteres Verständnis erhalten werden, indem Bezug genommen wird auf gewisse spezifische Beispiele, die hier lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung zur Verfügung gestellt werden und nicht dazu gedacht sind einzuschränken, sofern nicht anders angegeben.
In den folgenden Beispielen werden die folgenden Prozeduren bei der Untersuchung der hergestellten Probeblattprodukte verwendet:
Zugprobeblattherstellung

Inhaltsstoffe: 0,5 Gramm Faser
500 ml DI-Wasser
5 ml 1,3 N Schwefelsäure

Die oben angegebenen Inhaltsstoffe werden abgemessen und in einem Mischer für 30 Sekunden bei der niedrigen Einstellung und dann 90 Sekunden bei der hohen Einstellung vermischt.
Eine 8'' × 8'' Standard-Probeblattform mit einem 100 mesh Netz wird hergestellt und ungefähr 50 ml 1,8 N Schwefelsäure werden zu DI-Wasser zugegeben, bis sich die Form füllt. Der Ziel-pH für die Form ist zwischen 2 und 2,2 und sollte dementsprechend eingestellt werden.
Die vermischte Aufschlämmung wird zugegeben, mit einem Probeblatt-Formrührer 2–3 mal durchgerührt, das Überschusswasser abgegossen und mit Vakuum entfernt. Das Probeblatt wird bei 100–150°C in einen Ofen gegeben, bis es etwa halbtrocken ist. Das Blatt wird auf ein anderes Netz überführt, um es vollständig zu trocknen. Vollständiges Trocknen eines Probeblattes auf dem Netz, auf dem es gebildet wurde, resultiert darin, dass das Blatt an dem Netz haftet.
Eine Streifenschneidvorrichtung wird verwendet, um ungefähr 0,25'' von jeder Kante abzuschneiden. Die verbleibende Probe wird in 7 gleiche Streifen mit 1'' Breite zerschnitten.
Die Streifen werden unter Verwendung von 0,5''/Minute mit einer 4'' Messlänge untersucht. Die Spitzenbelastung in lbs/in und prozentuale Dehnung wird aufgezeichnet.
Für doppelt gefaltete Zugtests werden Streifen 180' um einen Stab mit 3/16'' Durchmesser gebogen, der Stab entfernt und vorsichtig ein Gewicht von 2000 Gramm entlang der Falte aufgebracht. Das Gewicht wird entfernt, der Streifen 180° auf die gegenüberliegende Seite des Blattes gebogen und das Gewicht nochmals vorsichtig entlang der Falte aufgebracht. Der Streifen wird entfaltet und in die Testklammern für die Untersuchung eingebracht.
Feuchtigkeitsalterungsuntersuchung
15 Zugprobeblätter für jede Probe, die in der Studie enthalten sein soll, werden hergestellt. Es ist am Besten, eine Probe eines Standardprodukts mit einem ähnlichen Faserdurchmesser in den zu testenden Proben als eine „Kontroll"-Probe einzuschließen.
Jedes Probeblatt wird zu 7 Zugstreifen mit gleicher Länge und 1'' Breite zerschnitten. Die Streifen sollten von gleicher Länge sein, sodass das Streifengewicht dazu verwendet werden kann, um Ausreißerproben zu identifizieren, die durch ungleichmäßige Probenblattbildungen verursacht wurden. Dies sollte in 105 Teststreifen pro Probe resultieren.
Jeder der 105 Teststreifen wird zur Identifizierung nummeriert und gewogen. Eine Bezeichnung ist für jede Probe eingeschlossen, sodass Proben unterschieden werden können.
Die Streifen werden gewogen, die Werte werden am Computer gesammelt. An diesem Punkt werden alle „Ausreißer"-Streifen, bestimmt durch Streifengewicht, entfernt und durch einen der 5 Extrastreifen ersetzt. Lediglich 100 der 105 Streifen werden für die Studie benötigt. Durch statistisches Platzieren der Teststreifen in die verschiedenen Kategorien sollte kein systematischer Fehler durch die individuelle Probeblattbildung verursacht werden. Alle Kategorien sollten in 10 Streifen mit gleichen mittleren Gewichten und Standardabweichungen resultieren.
Die Teststreifen werden in Kategorien einsortiert und in die Feuchtigkeitskammer eingebracht. Die Proben werden so eingebracht, dass die Sätze, die als nächstes untersucht werden sollen, sich für leichteren Zugang oben in der Kammer befinden. Es werden keine Proben mit 0 stündigem Zustand eingebracht, da sie ohne jegliche Wärme- und Feuchtigkeitsbehandlung untersucht werden. Alle anschließenden Probensets werden mit den 0-Stunden-Sets verglichen und auf Degeneration bei den Zugergebnissen, verursacht durch Feuchtigkeitsalterung, untersucht. Die Testkammer wird auf 95°F und 90% relative Feuchtigkeit eingestellt.
Proben für sowohl geraden als auch gefalteten Zug werden nach 6 Stunden, 24 Stunden, 72 Stunden und 180 Stunden Behandlung untersucht.
T-Testanalysen werden verwendet, um signifikante Unterschiede in den Probensatzdaten zu bestimmen und Proben für alle Datensätze werden gemittelt.
Beispiel 1
Eine Faser mit der folgenden Zusammensetzung (in mol-%) wird unter Verwendung eines pot-and-marble-Verfahrens hergestellt und die Faser wird getestet.

SiO₂ 65,7

ZrO₂ < 0,1

Al₂O₃ 1,3

B₂O₃ 10,7

CaO 2,2

MgO 2,0

BaO 2,1

ZnO 3,4

Na₂O 9,6

K₂O 2,9

F₂ < 0,1
Die vorhergehende Glaszusammensetzung wird unter Verwendung eines Flammenverstreckungsverfahrens in einer simulierten Herstellungseinheit zu ultrafeinen Fasern geformt. In dem Verfahren wird geschmolzenes Glas zunächst durch eine Vielzahl von Öffnungen im Boden eines großen Behältertopfes zugeführt, um eine Serie von feinen Strömen zu bilden, die Primärfasern genannt werden. Diese Primärfasern werden dann durch Einwirkung von Hochgeschwindigkeitsheißgasströmen verstreckt, die sie mit Verstreckungsverhältnissen herausziehen, die größer als 1000:1 sein können. Dieses Verfahren bricht auch die gezogenen Filamente quer, wobei eine Serie von diskreten diskontinuierlichen Fasern mit gewünschter Länge gebildet wird. Diese sekundären Fasern mit ultrafeinem Durchmesser werden dann als ein selbstverwickeltes Gewebe auf einer sich bewegenden Kette gesammelt, um ein Filz- oder Wollprodukt zu bilden.
Die Fasern werden dann durch BET-Verfahren bewertet, sowohl vor als auch nach Feuchtigkeitsalterung, und den Verlust an Faserfestigkeit zu bestimmen. Die Fasern werden auch zu Probenblättern, wie bei der Zugprobeblattherstellung beschrieben, geformt und entsprechend untersucht. Die Ergebnisse der Tests und die Charakteristiken der Fasern sind unten gezeigt.
HTV: 1969°F (1076°C)
Liquidus: 1400°F (760°C)
Oberflächenspannung @ 900°C: 297 dyn/cm
Veränderung im BET-Oberflächenbereich nach Feuchtigkeitsalterung: <+0,5%
k_dis in ultrafeiner Faserform: 141
Herauslösungsrate in simuliertem saurem Siebwasser: 0,33 μg/cm²Std.
mittlere anfängliche Probeblattzugfestigkeit (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 2,2 lbs./in.
Mittlere gefaltete Probeblattzugfestigkeit (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 0,85 lbs./in.
t½ für den Verlust bei der geraden Zugfestigkeit bei Feuchtigkeitsalterung: > 2000 Std. (keine signifikante Änderung)
t½ für den Verlust bei der gefalteten Zugfestigkeit bei Feuchtigkeitsalterung: 665 Std.
mittlere anfängliche Probeblattdehnung (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 0,35%
mittlere gefaltete Probeblattdehnung (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 0,56%
t½ für den Verlust bei der Dehnung bei Feuchtigkeitsalterung: 446 Std. (< 5%)
t½ für den Verlust bei der Dehnung in gefalteten Proben bei Feuchtigkeitsalterung: 488 Std. (ungefähr 18%) 0,42 μg/cm²Std.
Beispiel 2
Eine Faser mit der folgenden Zusammensetzung (in mol-%) wird unter Verwendung eines pot-and-marble-Verfahrens hergestellt und wie in Beispiel 1 beschrieben untersucht. Die Ergebnisse der Tests sind unten gezeigt.

SiO₂ 64,1

ZrO₂ 2,0

Al₂O₃ 0,4

B₂O₃ 10,7

CaO 1,8

MgO 0,6

BaO 2,1

ZnO 4,0

Na₂O 13,0

K₂O 0,1

F₂ 1,1

HTV: 1928°F (1053°C)
Liquidus: 1578°F (859°C)
Oberflächenspannung @ 900°C: 300 dyn/cm
Veränderung im BET-Oberflächenbereich nach Feuchtigkeitsalterung: +2,4%
k_dis in ultrafeiner Faserform: 114
Herauslösungsrate in simuliertem saurem Siebwasser: 0,42 μg/cm² Std.
mittlere anfängliche Probeblattzugfestigkeit (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 1,85 lbs./in.
mittlere gefaltete Probeblattzugfestigkeit (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 0,95 lbs./in.
t½ für den Verlust bei der geraden Zugfestigkeit bei Feuchtigkeitsalterung: > 2000 Std. (keine signifikante Änderung)
t½ für den Verlust bei der gefalteten Zugfestigkeit bei Feuchtigkeitsalterung: 280 Std.
mittlere anfängliche Probeblattdehnung (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 0,6%
mittlere gefaltete Probeblattdehnung (Faser mit 1 μm mittlerem Durchmesser): 0,6%
t½ für den Verlust bei der Dehnung bei Feuchtigkeitsalterung: > 2000 Std. (keine signifikante Änderung)
t½ für den Verlust bei der Dehnung in gefalteten Proben bei Feuchtigkeitsalterung: 659 Std. (ungefähr 11%)
Beispiel 3
Fasern, die in einer Herstellungseinheit in Originalgröße hergestellt wurden, zeigen Leistungseigenschaften, die in einem kommerziellen Produkt erwünscht sind. Zur Bestätigung werden in einer solchen Einheit hergestellte ultrafeine Fasern in Übereinstimmung mit Beispiel 1 aus der in Beispiel 1 offenbarten Glaszusammensetzung zusammen mit Fasern von vergleichbarem Durchmesser und Länge verglichen, die in kommerzieller Produktion über 40 Jahre hinweg (mit guter Leistung) hergestellt werden. Die letzteren kommerziellen Fasern werden aus einem Glas hergestellt, das nicht die gewünschten Raten an Bioabbau wie oben beansprucht zur Verfügung stellt. Insbesondere zeigen Fasern aus diesem Glas in vitro-Auflösungsraten in simulierter physiologischer Kochsalzlösung von lediglich etwa 20 ng/cm²Std. (weniger als der 100 ng/cm²Std.-Wert, der erforderlich ist). Die Zusammensetzung der kommerziellen Fasern ist wie folgt:

SiO₂ 63,5

Al₂O₃ 3,8

CaO 2,2

MgO 0,4

BaO 2,1

ZnO 3,2

Na₂O 10,7

K₂O 2,3

B₂O₃ 10,4

F₂ 1,3
Diese beiden Sätze Fasern werden zunächst durch BET-Verfahren bewertet, beide vor und nach der Feuchtigkeitsalterung, um den Verlust an Faserfestigkeit zu bestimmen. Die Veränderung im BET-Oberflächenbereich nach der Alterung rangiert von einem Minimum von 0 bis zu einem Maximum von +2,1% in einer Serie von Testläufen von Fasern, die aus der in Beispiel 1 offenbarten Glaszusammensetzung hergestellt wurden (+-Werte zeigen einen Anstieg im Oberflächenbereich). Der korrespondierende Bereich für die kommerziell hergestellten Fasern ist +0,4 bis +1,5%. Beide Fasern zeigen Erhöhungen sehr gut unterhalb der +10%-Grenze, die für zufriedenstellende Leistung erforderlich ist. Unterschiede in den Ergebnissen zwischen den beiden sind statistisch insignifikant.
Fasern werden wie zuvor beschrieben auch zu Probeblättern hergestellt. Ultrafeine Fasern, hergestellt sowohl aus der Glaszusammensetzung aus Beispiel 1 wie auch aus dem kommerziell hergestellten Glas, die in diesen Tests untersucht werden, haben mittlere Durchmesser von 0,65 um und mittlere Langen von etwa 1 mm. In diesen Tests werden die kommerziell hergestellten Fasern wiederum als eine Kontrollgruppe verwendet, da es aus vielen Jahren der kommerziellen Verwendung bekannt ist, dass ihr Festigkeitsabbau über die Zeit für einen breiten Bereich von Anwendungen, in dem sie verwendet werden, akzeptabel ist. Diese beiden Faserproben haben einen signifikant feineren Durchmesser als diejenigen, die zuvor behandelt wurden, und sind daher empfindlicher auf Effekte der Feuchtigkeitsalterung. Ihre Durchmesser sind auch stärker repräsentativ für die Mehrzahl an derzeit kommerziell verwendeten Fasern. Zugdaten werden sowohl aus ungefalteten als auch aus doppelt gefalteten Probeblättern erhalten (bezeichnet als „gerade" und „gefaltete" Zugwerte). Daten werden sowohl vor als auch nach Feuchtigkeitsalterung erhalten. Die spezifischen Verfahren und Bedingungen, die verwendet werden, sind jene wie zuvor beschrieben.
Ergebnisse der Probeblatttests zeigen, dass Blätter, die aus den erfindungsgemäßen Fasern hergestellt wurden, keinen signifikanten Verlust, weder in der geraden noch in der gefalteten Zugfestigkeit, nach 24 Stunden Behandlung mit heißer feuchter Luft zeigen. Dies ist auch der Fall für Blätter, hergestellt aus den kommerziell hergestellten Fasern. Verlust sowohl in geraden als auch gefalteten Zugwerten tritt für beide Sätze an Probeblättern nach 24 Stunden wie erwartet auf. Nach 168 Stunden Behandlung zeigen die Zugfestigkeitswerte für Blätter, die aus den Fasern aus der vorliegenden Zusammensetzung hergestellt wurden, einen mittleren Verlust von 10,3% (9,7% Standardabweichung). Korrespondierende Verluste bei der gefalteten Zugfestigkeit sind im Mittel 47,8% (8,1% Standardabweichung). Dies war ebenfalls erwartet, da der doppelt gefaltete Zugtest weit aus strenger ist als der ungefaltete Test. Im Vergleich zeigen die Blätter, die aus der kommerziell hergestellten Faser hergestellt wurden, ein Mittel von 16,1% Verlust bei der geraden Zugfestigkeit (14,4% Standardabweichung) und ein Mittel von 45,8% Verlust bei der gefalteten Zugfestigkeit (8,0% Standardabweichung). Als solches ist die Alterungsleistung der Blätter, die aus Fasern aus der vorliegenden Zusammensetzung hergestellt wurden, und von jenen aus kommerziell hergestellten Fasern nicht unterscheidbar bezüglich des Verlusts sowohl in der geraden als auch der gefalteten Zugfestigkeit.
Schmelzen und Verfasern des Glases aus Beispiel 1 in einem kommerziellen Originalmaßstabsystem zeigt auch, dass es alle Erfordernisse erfüllt, die für kontinuierliche Herstellung notwendig sind, wobei diese Kriterien zuvor aufgeführt wurden. Vergleiche werden mit der Leistung des oben erwähnten kommerziell hergestellten Glases angestellt. Es wird insbesondere festgestellt, dass (1) das vorliegende Glas aus Beispiel 1 dazu fähig ist, leicht wie oben beschrieben zu Fasern verarbeitet zu werden, wobei sowohl der erwünschte Bereich an Faserdurchmessern als auch an Faserlängen erreicht wird, (2) das Glas aus Beispiel 1 nicht kristallisiert oder irgendwo innerhalb des Systems entglast (3) das Glas aus Beispiel 1 keines der Metallteile oder der feuerfesten Teile angreift oder korrodiert und (4) das neu offenbarte Glas keine übermäßige Verflüchtigung erzeugt und demzufolge keine Probleme mit Staub oder hohen Emissionen zu bemerken sind. Es wird geschlossen, dass dieses Glas dazu geeignet ist, alle Produktions- und Leistungserfordernisse zu erfüllen, die durch das kommerzielle Standardproduktionsglas gezeigt werden, aber einen sehr signifikanten Vorteil in seiner hohen Auflösungsgeschwindigkeit in biologisch relevanten Systemen hat.
Nachdem die Erfindung nun vollständig beschrieben wurde wird es dem Fachmann offensichtlich sein, dass viele Veränderungen und Modifikationen hieran vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung wie hier ausgeführt abzuweichen.

Claims

Glaszusammensetzung, die folgende Stoffe in Molprozent umfasst: 62 bis 68% SiO₂ 0,1 bis 2% Al₂O₃ 8 bis 14% Na₂O 0 bis 3,5% K₂O 7 bis 12% B₂O₃ 1,5 bis 3,5% CaO 0 bis 3,5% MgO 0 bis 3% BaO 2 bis 5% ZnO 0 bis 3% ZrO₂ 0 bis 1,5% F₂
Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, die einen HTV von zwischen etwa 1850°F und etwa 2200°F aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, die einen HTV von weniger als 2025°F aufweist.
Glaszusammensetzung nach Anspruch 2, die eine Liquidustemperatur von wenigstens 250°F unterhalb diesem HTV aufweist.
Glaszusammensetzung nach Anspruch 2, die eine Liquidustemperatur von wenigstens 350°F unter diesem HTV aufweist.
Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, die ausreichend Widerstand gegenüber saurem Siebwasser (white water) aufweist, so dass der Verlust an Gesamtionen nach Lösen in Schwefelsäure-Lösung mit einem pH von 2,5 für eine Stunde bei Raumtemperatur weniger als 16000–18000 ppb beträgt.
Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, die folgende Stoffe in Molprozent umfasst: 64 bis 66% SiO₂ 0,4 bis 1,5% Al₂O₃ 10 bis 12% B₂O₃ 3,0 bis 4,5% ZnO 1,5 bis 2,5% CaO 0,5 bis 2,5% MgO 2,0 bis 2,5% BaO 9 bis 13% Na₂O 0,1 bis 3% K₂O 0,05 bis 2% ZrO₂ 0 bis 1,5% F₂
Glasfasern, die aus der Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 hergestellt worden sind, wobei (k_dis) größer als 100 ng/cm²h ist.
Glasfasern nach Anspruch 8, wobei (k_dis) größer als 130 ng/cm²h ist.
Glasfasern, die aus der Glaszusammensetzung nach Anspruch 7 hergestellt worden sind, wobei (k_dis) größer als 100 ng/cm²h ist.
Glasfasern nach Anspruch 10, wobei (k_dis) größer als 130 ng/cm²h ist.
Filtrationsmedium, das die Glasfasern nach Anspruch 8 umfasst.
Filtrationsmedium, das die Glasfasern nach Anspruch 9 umfasst.
Filtrationsmedium, das die Glasfasern nach Anspruch 10 umfasst.
Filtrationsmedium, das die Glasfasern nach Anspruch 11 umfasst.
Filterprodukt, das das Medium nach Anspruch 12 umfasst.
Filterprodukt, das das Medium nach Anspruch 13 umfasst.
Filterprodukt, das das Medium nach Anspruch 14 umfasst.
Filterprodukt, das das Medium nach Anspruch 15 umfasst.
Filterprodukt nach Anspruch 16, wobei das Filterprodukt ein HEPA Luftfiltrationsprodukt ist.
Verfahren zur Herstellung von Glasfasern, wobei man Primärfasern ausreichend hohen Temperaturen aussetzt, so dass sich die flüchtigeren Verbindungen der Glaszusammensetzung von der Außenseite der Primärfasern herauslösen und dabei einen äußeren Mantel bilden, der eine Zusammensetzung aufweist, die sich von dem Faserinneren unterscheidet, wobei die Primärfasern aus der Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 hergestellt worden sind, und wobei die Glasfasern eine Biolöslichkeit von mehr als 100 ng/cm²/h aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine „Pot and Marble"-Technik zur Herstellung der Glasfasern verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein direktes Schmelzverfahren zur Herstellung der Glasfasern verwendet wird.