DE9117260U1

DE9117260U1 - Mineralfaserzusammensetzung

Info

Publication number: DE9117260U1
Application number: DE9117260U
Authority: DE
Original assignee: Partek Paroc Oy AB
Current assignee: Paroc Hold Oy AB
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2001-11-23
Also published as: DE69107091T3; FI905797A0; US6358872B1; EP0558548B1; AU8908791A; DK0558548T3; ATE117662T1; EP0558548B2; FI93346C; DE69107091T2; EE02936B1; WO1992009536A1; EP0558548A1; FI93346B; DE69107091D1; IS3784A7; FI905797L

Description

74 235 u3/fe

BESCHREIBUNG

Mineralfaserzusammensetzung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mineralfaserzusammensetzung, die in biologischen Flüssigkeiten löslich ist.

Mineralfasern, die durch Schmelzen und Spinnen mineralischer Rohmaterialien, wie Stein, Schlacke und dergl., hergestellt sind, werden in großem Ausmaß zur Herstellung von Matten und Deckeinlagen aus Mineralfaser verwendet, insbesondere zum Zweck der Wärme- und Schallisolierung in der Bauindustrie. Bei der Herstellung solcher Matten, die bezüglich Wärme und Schall gute Isolierungseigenschaften aufweisen, wird in letzter Zeit in zunehmendem Maß den Eigenschaften der Matte bezüglich der gesundheitlichen Aspekte eine größere Bedeutung beigemessen, in erster Linie im Hinblick auf die industrielle Hygiene. Dies hat dazu geführt, daß die Aufmerksamkeit zunehmend mehr darauf gerichtet wurde, Fasern zu entwickeln, die in biologischen Flüssigkeiten löslich sind, um sicherzustellen, daß Faser-Partikel, die aus dem Körper nicht ausgetragen werden, in der Körperflüssigkeit aufgelöst werden.

So beschreibt z. B. die Patentanmeldung WO 89/12032 eine Faserzusammensetzung, die eine erhöhte Löslichkeit in physiologischen Kochsalzlösungen aufweist. Gemäß der Beschreibung können die Bestandteile in den genannten Zusammensetzungen innerhalb weiter Grenzen schwanken, gemäß

der Beschreibung führt aber eine Erhöhung der Menge an amphoteren Oxiden, u. a. bei denjenigen von Aluminium, Zirkon und Titan, zu der Tendenz, daß die Stabilität der Zusammensetzungen gegenüber Extraktion ansteigt. Obgleich in den gesamten Anmeldungsunterlagen die Effekte im Zusammenhang mit dem Vorliegen von Phosphor an keiner Stelle diskutiert sind, ist ein Beispiel einer Zusammensetzung angegeben, die etwas mehr als 6 Gew.% P2O5 in Kombination mit einem geringen Gehalt an AI2O3 enthält. Diese Zusammensetzung weist eine ziemlich gute Löslichkeit auf, vorrangig wegen der geringen Menge an vorhandenem AI2O3.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun herausgefunden worden, daß Zusammensetzungen, die Aluminium- und/oder Eisenoxide sowie Phosphoroxid enthalten, und in denen das Gewichtsverhältnis von Phosphor zur Summe von Aluminium und Eisen, alles berechnet auf Basis der jeweiligen Oxide, innerhalb eines ziemlich engen Bereichs liegt, überraschenderweise sehr günstige Loslichkeitseigenschaften in physiologischen Kochsalzlösungen aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mineralfaserzusammensetzung bereitzustellen, die in biologischen Flüssigkeiten löslich und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie im wesentlichen

45 bis 65 Gew.% SiO₂,

15 bis 40 Gew.% CaO,

0 bis 2 0 Gew.% MgO,

0 bis 6 Gew.% Na₂O + K₂O

und zusätzlich Aluminium- und/oder Eisenoxide sowie Phosphoroxid in solchen Mengen enthält, daß das Gewichtsverhältnis von P2O5 zur Summe von A1₂O3 und Eisenoxid 0,5 bis 6 beträgt.

Die Gesamtmenge an Al₂O₃ und Eisenoxid beträgt vorzugsweise mindestens 0,5, vorteilhafterweise 0,5 bis 7,0 Gew.%, und das genannte Gewichtsverhältnis weist einen bevorzugten Wert von 0,5 bis 2 auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Erhöhung der Löslichkeit von

Mineralfaserzusammensetzungen anzugeben, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß einer Mineralfaserzusammensetzung, die im wesentlichen

45 bis 65 Gew.% SiO₂,

15 bis 40 Gew.% CaO,

0 bis 20 Gew.% MgO,

0 bis 6 Gew.% Na₂O + K₂O

enthält und einen Gesamtgehalt an Al₂O₃ und Eisenoxid von mindestens 0,5 Gew.% aufweist, Phosphoroxid in solcher Menge zugefügt wird, daß das Gewichtsverhältnis von P₂O₅ zur Summe von Al₂O₃ und Eisenoxid 0,5 bis 6,0 und optimal 0,5 bis 2 beträgt.

Durch die vorliegende Erfindung wird es somit ermöglicht, solche übliche natürliche und wirtschaftlich günstige Rohmaterialien zu benutzen, die im allgemeinen eine bestimmte Menge an Aluminium und Eisen enthalten, welche die Löslichkeit herabsetzen und deren Vorhandensein demzufolge bei der Herstellung einer löslichen Faser nicht erwünscht ist. Gemäß der Erfindung wird die Löslichkeit von aus diesen Materialien hergestellten Fasern erhöht, und zwar durch Zufügung von Phosphor in einer geeigneten Menge. Durch diese Maßnahme werden die Variationsmöglichkeiten bei der Auswahl der Rohmaterialien wesentlich gesteigert, wobei auch

wirtschaftlich vorteilhafte Rohmaterialien zur Anwendung gelangen können.

Die Obergrenze an zugefügtem Phosphoroxid, die im allgemeinen ca. 10 Gew.% der Zusammensetzungen nicht übersteigt, hängt natürlich vom Aluminium- und Eisengehalt sowie von der Tatsache ab, daß höhere Phosphoroxid-Gehaltsmengen zu einer unerwünschten Kristallisation der Faser und zu Schwierigkeiten bei der Rohmaterialbereitstellung beitragen bzw. führen. Ein Anstieg der Phosphoroxid-Gehaltsmenge führt auch zu einer Erhöhung der Schmelztemperatur, was wiederum zu weniger günstigen wirtschaftlichen Bedingungen bei Herstellung und Produktion Anlaß gibt.

Um eine Mineralfaser bioaktiv oder in biologischen Flüssigkeiten löslich auszugestalten, muß eine Schicht aus einem Material vom Typ Calciumphosphat oder Apatit auf der Oberfläche der Faser gebildet werden. Diese äußere Schicht ist ein Ergebnis der Migration von Calcium- und Phosphationen aus der Glas-Matrix nach außen an die Oberfläche, die auf eine biologische Flüssigkeit gerichtet ist, wobei die Bildung einer solchen Oberflächenschicht noch dadurch erleichtert wird, daß Phosphationen in der biologischen Flüssigkeit vorhanden sind.

Diese gebildete Schicht wird dann stufenweise in der Form sehr kleiner Partikel abgetrennt, wodurch eine neue Faseroberfläche freigesetzt wird, auf welcher sich neue Oberflächenschichten bilden können. Die Glas-Matrix wird dadurch nach und nach ausgelaugt, die Faser zerfällt und verschwindet.

Das Vorliegen von dreiwertigem Aluminium und Eisen verursacht einen Stabilisierungseffekt auf die Auslaugung der Glas-Matrix, und zwar aufgrund der Tatsache, daß diese Metalle

dazu neigen, sich hin zu gebrochenen Sauerstoffbrücken im Glas zu bewegen, wo die Abbau- und Auslaugreaktionen des Glases stattfinden. Die Phosphationen bilden jedoch Komplexe mit diesen dreiwertigen Metallionen und schwächen die Sauerstoffbrücken zwischen den Si- und Al- bzw. Fe-Atomen. Infolgedessen werden die ein Netzwerk aufbauenden Eigenschaften dieser Metalle ihrerseits geschwächt, was den Zerfall des Glases erleichtert.

Die vorliegende Erfindung beruht in konsequenter Weise auf einem kombinierten Effekt zwischen jeweils Phosphat und Aluminium und dreiwertigem Eisen, welches Zusammenwirken in der erfindungsgemäßen Mineralfaser die Löslichkeit der Faser erhöht.

Wenn im folgenden Eisenoxid als Fe₂O₃ ausgedrückt ist, soll dies alle Typen von Eisenoxiden Fe_xOy abdecken, die in der Zusammensetzung vorhanden sind.

Eine vorteilhaft günstige Mineralfaserzusammensetzung enthält die folgenden Bestandteile in den angegebenen Mengen.-

SiO₂ 45 bis 65 Gew.%

Al₂O₃ 0,5 bis 7 Gew.%

Fe₂O₃ 0 bis 5 Gew.%

CaO 15 bis 40 Gew.%

MgO 0 bis 20 Gew.%

Na₂O + K₂O 0 bis 6 Gew.%

P₂O₅ 0,5 bis 10 Gew.%

Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung weist die folgende Zusammensetzung auf:

SiO₂ 49 bis 56 Gew.%

Al₂O₃ 1 bis 5 Gew.%

O	bis	4	Gew	.%
25	bis	35	Gew	g, . O
O	bis	15	Gew	.%
O	bis	6	Gew	.%

Fe₂O₃

CaO

MgO

Na₂O + K₂O

P₂O₅ 0,5 bis 5 Gew.%

LÖSLICHKEITSTESTS

1. LÖSLICHKEIT IN EINER VERSUCHSLÖSUNG

Zum Test der Löslichkeit wurden

Mineralfaserzusammensetzungen gemäß der Erfindung mit entsprechenden Zusammensetzungen verglichen, die jedoch kein Phosphat enthielten.

Aus Quarzsand, Calciumcarbonat, Al-, Mg- und P-Verbindungen wurde eine Schmelze hergestellt, die nach Verfestigung zerkleinert und pulverisiert wurde. Die chemische Zusammensetzung wurde gesteuert, desgleichen die Verteilung der Partikelgröße. Eine Probe von 200 ml wurde mit einer Versuchslösung gespült, wobei eine Durchflußgeschwindigkeit von 2 ml/h angewandt wurde. Die Versuchslösung wies die folgende Zusammensetzung auf:

MgCl₂ &khgr; 6H₂O 0,16 g/l

NaCl 6,11 g/l

KCl 0,31 g/l

Na₂HPO₄ 0,148 g/l

Na₂SO₄ 0,079 g/l

CaCl₂ &khgr; 2H₂O 0,06 g/l

NaCH₃COO &khgr; 3H₂O 1,065 g/l

NaHCO₃ 1,95 g/l

Die Auflösungsgeschwindigkeit wurde ermittelt, indem die Konzentrationen der Hauptbestandteile des Materials in

der Versuchslösung nach spezifischen Zeitintervallen gemessen wurden. Es wurde ein Atomabsorptions-Spektrophotometer für die Bestimmungen verwendet.

ZUSAMMENSETZUNG (GEW.%)

	Ia	Ib	Ha	Hb
SiO₂	55,2	58,8	54,1	54,2
Al₂O₃	1,2	1,2	4,2	4,4
Fe₂O₃	0,1	0,05	0,05	0,0
CaO	29,3	30,2	27,7	30,2
MgO	10,2	9,7	9,7	10,4
Na₂O	0,1	0, 03	0,09	0,1
K₂O	0,0	0,02	0,02	0, 02
P₂O₅	1,7	-	3,9	-

Ia	Ib	Ha	Hb
62,2	58,6	34,5	32,1
27,8	27,7	22,7	30,3
16,5	14, 0	13,4	14,5

LÖSLICHKEIT (mg/1) (1 Tag)

Si
Ca
Mg

Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß die Zusammensetzungen Ia und Ha gemäß der Erfindung, die Phosphat enthielten, eine bessere Silizium-Löslichkeit (erhöhte Menge) als die entsprechenden Zusammensetzungen Ib und Hb aufwiesen, die phosphatfrei waren. Die Magnesium- und Calcium-Löslichkeiten blieben ziemlich konstant.

2. LÖSLICHKEIT IN KULTURMEDIEN, MIT ODER OHNE MAKROPHAGEN

In diesem Test wurde die Auflösung von drei Mineralfaserzusammensetzungen einerseits in einem handelsüblichen Kulturmedium (RPMI-1640-Medium, Gibco

Ltd., England) und andererseits in demselben Kulturmedium getestet, das zusätzlich Makrophagen enthielt. Das letztere Medium wurde zubereitet, indem man wabenförmige Makrophagen von Ratten mit einer Lebensfähigkeit von über 95 % in einem RPMI-1640-Medium, enthaltend 100 &Igr;&Egr;/ml Penicillin, 100 ^g/ml Streptomycin, 10 &Igr;&Egr;/ml Heparin, 10 % fötales Kälberserum und 2 mM L-Glutamin, auf eine Zellkonzentration von 1 &khgr; 10 Zellen/ml suspendierte. 2 ml der Zellsuspension wurden in jede Vertiefung von Costar-Gewebs-Kultur-Klustern (Costar Europe Ltd., Holland) unter Austausch des Mediums zur Entfernung nicht-anhaftender Zellen gegeben und über Nacht inkubiert. Im Anschluß an die Inkubation wurde das Medium entfernt, und es wurde frisches Medium, enthaltend 200 ^g/ml Mineralfasern, in die Vertiefungen gegeben. In den Vergleichs-Vertiefungen gelangte lediglich RPMI-1640-Medium mit 200 &mgr;9/&tgr;&eegr;1 Mineralfaser zum Einsatz. Die Kluster wurden inkubiert und die Zellen den Fasern über eine vorbestimmte Zeitdauer ausgesetzt. Die Konzentration an gelöstem Silizium aus jeder der Proben wurde aus den Kulturmedien unter Verwendung eines Atomabsorptions-Spektrophotometer ermittelt.

FASERZUSAMMENSETZUNGEN (GEW.%)

	A	B	C
SiO₂	54,7	50,4	59,0
Al₂O₃	1,7	3,3	0,9
Fe₂O₃	1,4	3,0	0,3
CaO	25,1	31,2	35,5
MgO	11,9	10,6	4,6
Na₂O	0,3	0,6	0,1
K₂O	&ogr;,&igr;	0,4	&ogr;,&igr;
P₂O₅	5,2	-	-

Zusammensetzung A steht in Übereinstimmung mit der Erfindung, andererseits erfüllen auch die Zusammensetzungen B und C die Bedingungen der Erfindung, allerdings mit der Ausnahme, daß sie kein Phosphor enthalten.

Der Durchmesser der in den Tests eingesetzten Fasern betrug weniger als 3 &mgr;&idiagr;&eegr;.

Es wurden die folgenden Löslichkeitsergebnisse für Silizium erhalten, und zwar nach jeweils 2, 4 bzw. 8 Tagen.

Zusammensetzung ABC

KuIturmedium

-"- + Makrophagen

KuIturmedium

-"- + Makrophagen

KuIturmedium

- " - + Makrophagen

	Si	(ppm,- 2	Tacre)	26
26		5		14
26		5
	Si	(ppm; 4	Tage)	45
45		12		35
45		8
	Si	(ppm,- 8	Tacre)	144
162		45		82
153		37

Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß die Löslichkeit der Zusammensetzung B, die einen relativ hohen Gesamtgehalt an Aluminium- und Eisenoxiden aufweist, sehr niedrig ist. Die Zusammensetzung C₇ die eine sehr geringe Gesamtmenge an Aluminium- und Eisenoxiden aufweist, zeigt eine hohe Löslichkeit im Kulturmedium, jedoch eine deutlich niedrigere Löslichkeit in einem Kulturmedium, das Makrophagen enthält.

Faser A jedoch, die eine Faser gemäß der vorliegenden Erfindung ist und einen deutlich höheren Gesamtgehalt an Aluminium- und Eisenoxid als die Zusammensetzung C aufweist und zusätzlich Phosphor enthält, weist dieselbe hohe Löslichkeit wie die Zusammensetzung C im bloßen Kulturmedium auf, zeigt jedoch außerdem eine entsprechend hohe Löslichkeit auch in einem Kulturmedium, das Makrophagen enthält.

Die Ergebnisse zeigen somit, daß in den Zusammensetzungen gemäß der Erfindung Phosphor einen die Löslichkeit erhöhenden Effekt ausübt, welcher besonders unter Bedingungen zum Ausdruck kommt, die wahren biologischen Bedingungen im Organismus ähnlich sind.

Claims

74 235 u3/fe SCHUTZANSPRUCHE

1. Mineralfaserzusammensetzung, die in biologischen Flüssigkeiten löslich ist, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen

45 bis 65 Gew.% SiO₂,

15 bis 40 Gew.% CaO,

0 bis 20 Gew.% MgO,

0 bis 6 Gew.% Na₂O + K₂O

und zusätzlich Aluminium- und/oder Eisenoxide sowie Phosphoroxid in solchen Mengen enthält, daß das Gewichtsverhältnis von P2O5 zur Summe von Al₂O₃ und Eisenoxid 0,5 bis 6,0 beträgt.

2. Mineralfaserzusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gewichtsverhältnis von P₂Os zur Summe von Al₂O₃ und Eisenoxid 0,5 bis 2 beträgt.

3. Mineralfaserzusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie Al₂O₃ und Eisenoxid in einer Gesamtmenge von mindestens 0,5 Gew.% enthält.

4. Mineralfaserzusammensetzung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie AI2O3 und Eisenoxid in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 7 Gew.% enthält.

5. Mineralfaserzusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist:

SiO₂ 45 bis 65 Gew.%

Al₂O₃ 0,5 bis 7 Gew.%

Fe₂O₃ 0 bis 5 Gew.%

CaO 15 bis 40 Gew.%

MgO 0 bis 20 Gew.%

Na₂O + K₂O 0 bis 6 Gew.%

P₂O₅ 0,5 bis 10 Gew.%

6. Mineralfaserzusammensetzung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist:

SiO₂ 49 bis 56 Gew.% Al₂O₃ 1 bis 5 Gew.% Fe₂O₃ 0 bis 4 Gew.% CaO 25 bis 35 Gew.% MgO 0 bis 15 Gew.% Na₂O + K₂O 0 bis 6 Gew.%

P₂O₅ 0,5 bis 5 Gew.%