BR112021008894A2 - composição de fibra de vidro de alto desempenho com módulo elástico melhorado - Google Patents
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Abstract
COMPOSIÇÃO DE FIBRA DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO COM MÓDULO ELÁSTICO MELHORADO.
Uma composição de vidro é fornecida, a qual inclui SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1 a 8,5% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 0,1 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso, Y2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso. As fibras de vidro formadas a partir da composição inventiva podem ser usadas em aplicações que exigem alta rigidez e têm módulo elástico entre 88 e 115 GPa. Essas aplicações incluem panos tecidos para uso na formação de pás de turbinas eólicas e estruturas aeroespaciais.
Description
[001] Este pedido reivindica prioridade para o Pedido Provisório sob no de série U.S. 62/771.250, depositado em 26 de novembro de 2018, intitulado ”HIGH
PERFORMANCE FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED ELASTIC MODULUS”, cuja revelação inteira é incorporada a título de referência no presente documento.
[002] As fibras de vidro são fabricadas a partir de várias matérias-primas combinadas em proporções específicas para produzir uma composição desejada, comumente chamada de ”lote de vidro”. Este lote de vidro pode ser derretido em um aparelho de fusão e o vidro derretido é extraído em filamentos através de uma bucha ou placa de orifício (os filamentos resultantes também são chamados de fibras de vidro contínuas). Uma composição de colagem contendo lubrificantes, agentes de acoplamento e resinas aglutinantes formadoras de filme pode então ser aplicada aos filamentos. Após o dimensionamento ser aplicado, as fibras podem ser reunidas em um ou mais fios e enroladas em um pacote ou, alternativamente, as fibras podem ser cortadas enquanto molhadas e coletadas. Os fios picados coletados podem então ser secos e curados para formar fibras picadas secas ou podem ser embalados em sua condição úmida como fibras picadas úmidas.
[003] A composição do lote de vidro, junto com a fibra de vidro fabricada a partir dele, é frequentemente expressa em termos dos óxidos nele contidos, que comumente incluem SiO2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3, TiO2, Li2O e semelhantes.
Vários tipos de vidros podem ser produzidos variando as quantidades desses óxidos ou eliminando alguns dos óxidos do lote de vidro. Exemplos de tais vidros que podem ser produzidos incluem vidro R, vidro E, vidro S, vidro A, vidro C e vidro ECR. A composição do vidro controla a formação e as propriedades do produto do vidro. Outras características das composições de vidro incluem o custo da matéria-prima e o impacto ambiental.
[004] Por exemplo, o vidro E é um vidro de aluminoborosilicato, geralmente livre de álcalis e comumente usado em aplicações elétricas. Uma vantagem do vidro E é que sua temperatura liquidus permite que as temperaturas operacionais para a produção de fibras de vidro sejam de aproximadamente 1038 °C a 1316 °C (1900 °F a 2400 °F). A classificação ASTM para fios de fibra de vidro E usados em placas de circuito impresso e aplicações aeroespaciais define a composição como sendo 52 a 56% em peso de SiO2, 16 a 25% em peso de CaO, 12 a 16% em peso de Al2O3, 5 a 10 % em peso de B2O3, 0 a 5% em peso de MgO, 0 a 2% em peso de Na2O e K2O, 0 a 0,8% em peso de TiO2, 0,05 a 0,4% em peso de Fe2O3 e 0 a 1,0% em peso Flúor.
[005] As fibras sem boro são vendidas sob a marca comercial ADVANTEX® (Owens Corning, Toledo, Ohio, EUA). Fibras livres de boro, tais como são reveladas na Pat. No. 5.789.329, incorporada no presente documento a título de referência em sua totalidade, oferece uma melhoria significativa nas temperaturas de operação em relação ao vidro tipo E contendo boro. As fibras de vidro sem boro se enquadram na definição da ASTM para fibras de vidro E para uso em aplicações de uso geral.
[006] R-Glass é uma família de vidros composta principalmente de óxidos de silício, alumínio, magnésio e cálcio com uma composição química que produz fibras de vidro com maior resistência mecânica do que as fibras de vidro E. R-Glass tem uma composição que contém cerca de 58 a cerca de 60% em peso de SiO2, cerca de 23,5 a cerca de 25,5% em peso de Al2O3, cerca de 14 a cerca de 17% em peso de CaO mais
MgO e menos de cerca de 2% por peso de componentes diversos. O R-Glass contém mais alumina e sílica do que o vidro E requer temperaturas de fusão e processamento mais altas durante a formação da fibra. Normalmente, as temperaturas de fusão e processamento para R-Glass são mais altas do que para vidro E. Este aumento na temperatura de processamento requer o uso de um aparelho de fusão revestido de platina de alto custo. Além disso, a proximidade da temperatura do líquido à temperatura de formação em R-Glass requer que o vidro seja fibrejado a uma viscosidade menor que a de vidro E, que é normalmente fibrosada em ou próximo a cerca de 100 Pa s (1.000 poise). A fibrização do R-Glass na viscosidade normal de 100 Pa s (1.000 poise) provavelmente resultaria na desvitrificação do vidro, o que causa interrupções no processo e produtividade reduzida.
[007] As fibras de vidro de alto desempenho possuem maior resistência e rigidez, em comparação com as fibras de vidro E tradicionais. Em particular, para alguns produtos, a rigidez é crucial para modelagem e desempenho. Por exemplo, compostos, como pás de turbinas eólicas, preparadas a partir de fibras de vidro com boas propriedades de rigidez permitiriam pás de turbinas eólicas mais longas em estações eólicas de geração elétrica, mantendo a flexão da pá dentro de limites aceitáveis.
[008] Além disso, são desejadas composições de vidro de alto desempenho que possuam propriedades mecânicas e físicas favoráveis (por exemplo, módulo elástico e resistência à tração), enquanto mantêm as propriedades de formação desejáveis (por exemplo, temperatura de líquido e temperatura de fibra). O módulo elástico é uma medida da rigidez da fibra, definindo uma relação entre a tensão aplicada a um material e a deformação produzida pelo mesmo material. Um material rígido tem um alto módulo elástico e muda sua forma apenas ligeiramente sob cargas elásticas. Um material flexível tem um baixo módulo elástico e muda sua forma consideravelmente.
[009] Várias modalidades exemplificativas dos presentes conceitos inventivos são direcionadas a uma composição de vidro que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1 a 5,0% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a menos que 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 1,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso; Y2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso. A composição de vidro inclui uma concentração total de La2O3+Y2O3 em uma quantidade de 2,0 a 10,0% em peso.
[010] Em algumas modalidades exemplificativas, a fibra de vidro formada a partir da composição de vidro tem um módulo elástico entre 88 e 115 GPa e uma resistência à tração de acordo com ASTM D2343-09 de pelo menos 4.400 MPa.
[011] A composição de vidro pode ainda incluir 0 a cerca de 7,0% em peso de Ta2O5; 0 a cerca de 7,0% em peso de Ga2O3; 0 a cerca de 2,5% em peso de Nb2O5 e 0 a cerca de 2,0% em peso de V2O5.
[012] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro é essencialmente isenta de B2O3.
[013] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui 6,0 a 10% em peso de Y2O3.
[014] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui mais que 1,5 a 10% em peso de La2O3.
[015] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro compreende 1,5 a 3,5% em peso de Li2O.
[016] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro compreende uma razão de MgO/(CaO+SrO) maior do que 2,1.
[017] Em várias modalidades exemplificativas, a composição inclui pelo menos 4% em peso de Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3.
[018] Outros aspectos exemplares dos presentes conceitos inventivos são direcionados a um fibra de vidro formada a partir de uma composição que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0-65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1 a 8,5% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a menos que 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 0,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso, Y2O3 em uma quantidade de 6,0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso. A fibra de vidro tem um módulo elástico entre 88 e 115 GPa.
[019] Em várias modalidades exemplificativas, a composição compreende 0,5 a 3,5% em peso de Li2O.
[020] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui mais que 1,5 a 10% em peso de La2O3.
[021] Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro compreende uma razão de MgO/(CaO+SrO) maior do que 2,1.
[022] Em várias modalidades exemplificativas, a composição inclui pelo menos 4% em peso de Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3.
[023] Outras modalidades exemplificativas são direcionadas a uma fibra de vidro que tem um módulo elástico de 89 a 100 GPa.
[024] Ainda outros aspectos exemplificativos dos presentes conceitos inventivos são direcionados a um método de formação de uma fibra de vidro contínua que compreende o fornecimento de uma composição de vidro fundido; e extraindo a composição fundida através de um orifício para formar uma fibra de vidro contínua.
[025] Ainda outros aspectos exemplificativos dos presentes conceitos inventivos são direcionados a um produto compósito reforçado que compreende uma matriz polimérica; e uma pluralidade de fibras de vidro formadas a partir de uma composição de vidro que compreende SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1 a 5,0% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a menos que 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 1,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso, Y2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso. A composição de vidro inclui uma concentração total de La2O3+Y2O3 em uma quantidade de 2,0 a 10,0% em peso.
[026] As fibras de vidro têm um módulo elástico entre 88 e 115 GPa e uma resistência à tração de acordo com ASTM D2343-09 de pelo menos 4.400 MPa.
[027] Em algumas modalidades exemplificativas, o produto compósito reforçado está na forma de uma pá de turbina eólica.
[028] O precedente e outros objetos, características e vantagens da invenção aparecerão mais completamente a seguir a partir de uma consideração da descrição detalhada que se segue.
[029] A menos que definido de outro modo, todos os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado que comumente entendido por uma pessoa de habilidade comum na técnica à essas modalidades exemplificativas pertencem. A terminologia usada na descrição no presente documento é apenas para descrever modalidades exemplificativas e não se destina a ser limitadora das modalidades exemplificativas. Consequentemente, os conceitos inventivos gerais não se destinam a ser limitados às modalidades específicas ilustradas no presente documento.
Embora outros métodos e materiais semelhantes ou equivalentes àqueles descritos no presente documento possam ser usados na prática ou teste da presente invenção, os métodos preferenciais e materiais úteis são descritos no presente documento.
[030] Conforme usado no relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as formas singulares "um", "uma" e "o e a" se destinam a incluir as formas plurais também, a menos que o contexto indique claramente o contrário.
[031] Salvo indicado de outro modo, todos os números que expressam quantidades de ingredientes, propriedades químicas e moleculares, condições de reação, e assim por diante usados no relatório descritivo e reivindicações devem ser compreendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Consequentemente, salvo indicado em contrário, os parâmetros numéricos apresentados no relatório descritivo e reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas que se deseja obter pelas presentes modalidades exemplificativas. No mínimo, cada parâmetro numérico deve ser interpretado à luz do número de dígitos significativos e abordagens de arredondamento ordinárias.
[032] Apesar de as faixas numéricas e parâmetros que estabelecem o amplo escopo das modalidades exemplificativas serem aproximações, os valores numéricos estabelecidos nos exemplos específicos são relatados o mais precisamente possível.
Qualquer valor numérico, entretanto, contém determinados erros necessariamente resultantes do desvio padrão encontrado em suas respectivas medições de teste. Cada faixa numérica dada ao longo deste relatório descritivo e reivindicações incluirá cada faixa numérica mais restrita que está abrangida em uma faixa numérica mais ampla, como se essas faixas numéricas mais restritas fossem todas expressamente escritos no presente documento. Além disso, qualquer valor numérico relatado nos Exemplos pode ser usado para definir um ponto final superior ou inferior de uma faixa de composição mais ampla revelada no presente documento.
[033] A presente revelação se refere a uma composição de vidro de alto desempenho com módulo elástico melhorado. Essas composições de vidro são particularmente interessantes no campo de produtos eólicos, como turbinas eólicas que requerem pás mais longas para gerar mais energia. As lâminas mais longas requerem materiais com módulo elástico mais alto para resistir às forças aplicadas a elas sem quebrar. As composições de vidro em questão incluem lítio e opcionalmente óxidos de terras raras. Além disso, as composições de vidro em questão incluem níveis mais elevados de magnésio e alumina do que outras composições de vidro neste espaço.
[034] As composições de vidro aqui reveladas são adequadas para fusão em fornos de vidro revestido de refratário tradicionais disponíveis no mercado, que são amplamente utilizados na fabricação de fibras de reforço de vidro.
[035] A composição de vidro pode estar na forma fundida, obtida por fusão dos componentes da composição de vidro em um aparelho de fusão. A composição do vidro exibe uma baixa temperatura de fibrização, que é definida como a temperatura que corresponde a uma viscosidade de fusão de cerca de 100 Pa s (1.000 poise), conforme determinado por ASTM C965-96 (2007). Abaixar a temperatura de fibrização pode reduzir o custo de produção das fibras de vidro porque permite uma vida útil mais longa da bucha e reduz o uso de energia necessária para derreter os componentes de uma composição de vidro. Portanto, a energia expelida é geralmente menor do que a energia necessária para fundir muitas formulações de vidro disponíveis comercialmente. Tais requisitos de energia mais baixos também podem diminuir os custos gerais de fabricação associados à composição do vidro.
[036] Por exemplo, em uma temperatura de fibrização mais baixa, uma bucha pode operar em uma temperatura mais fria e, portanto, não ”afunda” tão rapidamente como normalmente é visto. ”Afundamento” é um fenômeno que ocorre quando uma bucha mantida em temperatura elevada por longos períodos de tempo perde sua estabilidade determinada. Assim, ao diminuir a temperatura de fibrização, a taxa de curvatura da bucha pode ser reduzida e a vida da bucha pode ser maximizada.
[037] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem uma temperatura de fibrização menor que 1454 °C (2.650 °F), incluindo temperaturas de fibrização não superiores a 1.427 °C (2.600 °F), não superiores a 1.399 °C (2.550 °F), não maior que 1.377 °C (2.510 °F), não maior que 1.354 °C (2.470 °F), não maior que
1.327 °C (2.420 °F), não maior que 1.321 °C (2.410 °F), não maior que 1.318 °C (2.405 °F), não maior que 1.316 °C (2.400 °F) e não maior que 1.310 °C (2.390 °F) e não maior que 1.307 °C (2.385 °F). Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem uma temperatura de fibrização não maior que 1.427 °C (2.600 °F), como não maior que 1.371 °C (2.500 °F) e não maior que 1.204 °C (2.200 °F). Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem uma temperatura de fibrização de pelo menos 1.093 °C (2.000 °F), incluindo pelo menos 1.121 °C (2.050 °F), pelo menos
1.135 °C (2.075 °F), pelo menos 1.149 °C (2.100 °F) e pelo menos 1.177 °C (2.150 °F).
[038] Outra propriedade de formação de fibra de uma composição de vidro é a temperatura do líquido. A temperatura liquidus é definida como a temperatura mais alta na qual existe equilíbrio entre o vidro líquido e sua fase cristalina primária. A temperatura liquidus, em alguns casos, pode ser medida expondo a composição de vidro a um gradiente de temperatura em um barco de liga de platina por 16 horas (ASTM C829-81 (2005)). Em todas as temperaturas acima da temperatura liquidus, o vidro está completamente fundido, ou seja, está livre de cristais. Em temperaturas abaixo da temperatura do líquido, podem se formar cristais.
[039] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem uma temperatura liquidus abaixo de 1.427 °C (2.600 °F), incluindo temperatura liquidus não maior que 1.371 °C (2.500 °F), não maior que 1.343 °C (2.450 °F), não maior que 1.318 °C (2.405 °F), não maior que 1.288 °C (2.350 °F), não maior que 1.260 °C (2.300 °F), não maior que 1.232 °C (2.250 °F), não maior que 1.218 °C (2.225 °F), não maior que 1.204 °C (2.200 °F), não maior que 1.191 °C (2.175 °F) e não maior que 1.177 °C (2.150 °F). Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem uma temperatura liquidus entre 1.121 °C (2.050 °F) e 1.399 °C (2.550 °F), incluindo entre 1.166 °C (2.130 °F) e 2.490 °F, entre 1.199 °C (2.190 °F) e 1.318 °C (2.405 °F) e entre 1.232 °C (2.250 °F) e 1.343 °C (2.450 °F).
[040] Uma terceira propriedade de fibrização é ”ΔT”, que é definida como a diferença entre a temperatura de fibrização e a temperatura liquidus. Se o ΔT for muito pequeno, o vidro fundido pode cristalizar dentro do aparelho de fibra e causar uma interrupção no processo de fabricação. Desejavelmente, o ΔT é tão grande quanto possível para uma dada viscosidade de formação porque oferece um grau de flexibilidade maior durante a fibrização e ajuda a evitar a desvitrificação tanto no sistema de distribuição de vidro quanto no aparelho de fibrização. Um grande ΔT reduz adicionalmente o custo de produção das fibras de vidro, permitindo uma maior vida útil da bucha e um processo de conformação menos sensível.
[041] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem um ΔT de pelo menos -51 °C (-60 °F), incluindo pelo menos -29 °C (-20 °F), incluindo pelo menos 4 °C (40 °F), incluindo pelo menos 27 °C (80 °F), incluindo pelo menos 38 °C (100 °F), pelo menos 43 °C (110 °F), pelo menos 49 °C (120 °F), pelo menos 57 °C (135 °F), pelo menos 66 °C (150 °F) e pelo menos 77 °C (170 °F). Em várias modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem um ΔT entre 38 °C (100 °F) e 121 °C (250 °F), incluindo entre 49 °C e 93 °C (120 °F e 200 °F) e entre 66 °C e 102 °C (150 °F e 215 °F).
[042] A composição de vidro pode incluir cerca de 50,0 a cerca de 65,0% em peso de SiO2, cerca de 18,0 a cerca de 23,0% em peso de Al2O3, cerca de 9,0 a cerca de 14,0% em peso de MgO, cerca de 1,0 a cerca de 5,0% em peso de CaO, cerca de 0,0 a cerca de 1,0% em peso de Na2O, 0 a cerca de 1 menos do que 0,0% em peso de K2O, 0 a cerca de 2,5% em peso de TiO2, 0 a cerca de 0,8% em peso de Fe2O3 e cerca de 0,0 a cerca de 4,0% em peso de Li2O. A composição de vidro pode ainda incluir 0 a cerca de 10,0% em peso de Y2O3, 0 a cerca de 10,0% em peso de La2O3, 0 a cerca de 5,0% em peso de Ce2O3 e 0 a cerca de 5,0% em peso Sc2O3. A composição de vidro pode ainda incluir 0 a cerca de 7,0% em peso de Ta2O5, 0 a cerca de 7,0% em peso de Ga2O3, 0 a cerca de 2,5% em peso de Nb2O5 e 0 a cerca de 2,0% em peso V2O5.
[043] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro pode incluir cerca de 52,0 a cerca de 60,0% em peso de SiO2, cerca de 18,4 a cerca de 21,5% em peso de Al2O3, cerca de 9,3 a cerca de 12,0% em peso de MgO, cerca de 1,5 a cerca de 8,0% em peso de CaO, cerca de 0,01 a cerca de 0,5% em peso de Na2O, cerca de 0,01 a cerca de 0,5% em peso de K2O, cerca de 0,01 a cerca de 2,0% em peso de TiO2, cerca de 0,01 a cerca de 0,6% em peso de Fe2O3 e cerca de 0,1 a cerca de 3,5% em peso de Li2O. A composição de vidro pode ainda incluir cerca de 1,0 a cerca de 7,0% em peso de Y2O3, cerca de 1,0 a cerca de 7,0% em peso de La2O3, cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso de Ce2O3 e cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso de Sc2O3. A composição de vidro pode ainda incluir cerca de 0,01 a cerca de 5,5% em peso de Ta2O5, cerca de 0,1 a cerca de 5,5% em peso de Ga2O3 e cerca de 0,01 a cerca de 2,0% em peso de Nb2O5.
[044] A composição de vidro inclui pelo menos 50% em peso e não mais do que 75% em peso de SiO2. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui pelo menos 52% em peso de SiO2, incluindo pelo menos 55% em peso, pelo menos 57% em peso, pelo menos 58,5% em peso e pelo menos 59% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro não inclui mais que 70% em peso de SiO2, incluindo não mais que 68% em peso, não mais que 65,5% em peso, não mais que 64,5% em peso, não mais que 62,5% em peso e não maior que 60,5% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 50% em peso a cerca de 65% em peso, ou cerca de 52% em peso a cerca de 60% em peso de SiO2.
[045] Para alcançar ambas as propriedades mecânicas e de formação de fibra desejadas, um aspecto importante da composição de vidro é ter uma concentração de Al2O3 de pelo menos 15,0% em peso e não maior que 25% em peso. A inclusão de mais que 25% em peso de Al2O3 faz com que o liquidus de vidro aumente a um nível acima da temperatura de fibra, o que resulta em um ΔT negativo. Incluindo menos de 15% em peso de Al2O3 forma uma fibra de vidro com um módulo desfavoravelmente baixo. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui pelo menos 18,0% em peso de Al2O3, incluindo pelo menos 18,4% em peso, pelo menos 19,0% em peso, pelo menos 19,5% em peso e pelo menos 20,0% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 18,4 a cerca de 23% em peso de
Al2O3, incluindo cerca de 18,8 a cerca de 21,5% em peso de Al2O3.
[046] A composição de vidro inclui ainda vantajosamente pelo menos 8,0% em peso e não mais do que 15% em peso de MgO. A inclusão de mais que 15% em peso de MgO fará com que a temperatura do líquido aumente, o que também aumenta a tendência de cristalização do vidro. A inclusão de menos de 8,0% em peso forma uma fibra de vidro com um módulo desfavoravelmente baixo se substituída por CaO e um aumento desfavorável na viscosidade se substituída por SiO2. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui pelo menos 9,0% em peso de MgO, incluindo pelo menos 9,2% em peso, pelo menos 9,3% em peso, pelo menos 9,8% em peso, pelo menos 10% em peso, pelo menos 10,5% em peso, pelo menos 11,0% em peso, pelo menos 11,5% em peso, pelo menos 12,0% em peso e pelo menos 13% em peso de MgO. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro compreende uma concentração de MgO entre cerca de 9,0 e cerca de 14% em peso, ou entre cerca de 9,3 e cerca de 12% em peso.
[047] A composição de vidro pode incluir opcionalmente CaO em concentrações de até cerca de 10,0% em peso. Incluindo mais que 10% em peso de CaO, forma-se um vidro com baixo módulo elástico. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui entre 0 e 9% em peso de CaO, incluindo entre 0,5 e 8,8% em peso, entre 1,0 e 8,5% em peso, entre 1,5 e 8,0% em peso, e entre 2,0 e 7,5% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui entre 1,0 e 5,0% em peso de CaO, ou entre 1,2 e 4,7% em peso de CaO, ou entre 1,3 e 4,55% em peso de CaO.
[048] Em algumas modalidades exemplificativas, a concentração total de MgO e CaO é de pelo menos 10% em peso e não maior que 22% em peso, incluindo entre 12,5% em peso e 20% em peso, e entre 14% em peso e 18,5% em peso.
[049] A composição de vidro pode incluir até cerca de 3,0% em peso de TiO2. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0% em peso a cerca de 2,5% em peso de TiO2, incluindo cerca de 0,01% em peso a cerca de 2,0% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 0,75% em peso.
[050] A composição de vidro pode incluir até cerca de 1,0% em peso de Fe2O3.
Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui 0% em peso a cerca de 0,8% em peso de Fe2O3, incluindo cerca de 0,01% em peso a cerca de 0,6% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 0,35% em peso.
[051] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de Li2O. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0,0% em peso a cerca de 4,0% em peso de Li2O, incluindo cerca de 0,1% em peso a cerca de 3,5% em peso e cerca de 0,5 a cerca de 3,0% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 1,0 a cerca de 4,0% em peso de Li2O, ou cerca de 1,5 a cerca de 3,8% em peso de Li2O.
[052] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui menos de 2,0% em peso dos óxidos de metal alcalino Na2O e K2O, incluindo entre 0 e 1,5% em peso, entre 0,05 e 0,75% em peso e entre 0,1 e 0,25 % por peso. A composição de vidro pode incluir Na2O e K2O em uma quantidade maior do que 0,01% em peso de cada óxido. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 1% em peso de Na2O, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 0,5% em peso, cerca de 0,03 a cerca de 0,3% em peso e 0,04 a cerca de 0,15% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 1% em peso de K2O, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 0,5% em peso, cerca de 0,03 a cerca de 0,3% em peso e 0,04 a cerca de 0,15% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui menos de 1,0% em peso de K2O, como menos de 0,75% em peso ou menos de 0,50% em peso.
[053] A composição de vidro pode incluir até cerca de 1,5% em peso de ZrO2.
Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 1,0% em peso de ZrO2, incluindo cerca de 0,05% em peso a cerca de 0,8% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 0,5% em peso.
[054] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui até 15,0% em peso dos óxidos de terras raras Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3 ("R2O3”), incluindo entre 0 e 12,0% em peso, ou entre 1,0 e 10,0% em peso. A composição de vidro pode incluir qualquer um dos óxidos de R2O3 em uma quantidade maior do que 0,01% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 10% em peso de Y2O3, incluindo cerca de 1,0 a cerca de 9,9% em peso, cerca de 3,0 a cerca de 9,5% em peso e 6,0 a cerca de 9,0% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 10% em peso de La2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 7,5% em peso, cerca de 0,05 a cerca de 4,0% em peso e 0,1 a cerca de 3,0% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 5,0% em peso Ce2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso, cerca de 0,05 a cerca de 2,0% em peso e 0,1 a cerca de 1,5% em peso. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 5% em peso de Sc2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso, cerca de 0,05 a cerca de 3,2% em peso e 0,1 a cerca de 3,0% em peso.
[055] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui uma concentração total de CeO 2+Sc2O3 que é pelo menos 1,0% em peso, incluindo pelo menos 1,5% em peso, pelo menos 1,75% em peso, pelo menos 2,0% em peso, pelo menos 2,1% em peso, pelo menos 2,2% em peso e pelo menos 2,5% em peso.
[056] A composição de vidro pode incluir até cerca de 7,0% em peso de Ta2O5. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 5,5% em peso de Ta2O5, incluindo cerca de 0,05% em peso a cerca de 3,5% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 3,0% em peso.
[057] A composição de vidro pode incluir até cerca de 7,0% em peso de Ga2O3.
Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 5,5% em peso de Ga2O3, incluindo cerca de 0,05% em peso a cerca de 5,0% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 4,5% em peso.
[058] A composição de vidro pode incluir até cerca de 2,5% em peso de Nb2O5. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 2,0% em peso de Nb2O5, incluindo cerca de 0,05% em peso a cerca de 1,5% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 0,7% em peso.
[059] A composição de vidro pode incluir até cerca de 2,0% em peso de V2O5. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 1,5% em peso V2O5, incluindo cerca de 0,05% em peso a cerca de 1,2% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 1,0% em peso.
[060] As composições de vidro podem incluir até cerca de 1,0% em peso de Sm2O3 e/ou Gd2O3. No entanto, várias modalidades exemplificativas limitam a concentração total de Sm2O3 e Gd2O3 a menos que 0,5% em peso, incluindo menos de 0,1% em peso e menos de 0,05% em peso.
[061] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de ZnO. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro inclui 0% em peso a cerca de 2,5% em peso de ZnO, incluindo cerca de 0,01% em peso a cerca de 2,0% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 1,0% em peso.
[062] As composições de vidro da invenção podem ser livres ou substancialmente livres de B2O3 e flúor, embora qualquer um possa ser adicionado em pequenas quantidades para ajustar as propriedades de fibra e do vidro acabado e não terá um impacto adverso nas propriedades se mantido abaixo de vários por cento.
Conforme usado no presente documento, substancialmente isento de B2O3 e flúor significa que a soma das quantidades de B2O3 e flúor presentes é inferior a 1,0% em peso da composição. A soma das quantidades de B2O3 e flúor presente pode ser inferior a cerca de 0,5% em peso da composição, incluindo menos de cerca de 0,2% em peso, menos de cerca de 0,1% em peso e menos de cerca de 0,05% em peso.
[063] As composições de vidro podem incluir ainda impurezas e/ou vestígios de materiais sem afetar adversamente os vidros ou as fibras. Essas impurezas podem entrar no vidro como impurezas de matéria-prima ou podem ser produtos formados pela reação química do vidro fundido com os componentes do forno. Exemplos não limitativos de materiais residuais incluem estrôncio, bário e combinações dos mesmos. Os traços de materiais podem estar presentes em suas formas de óxido e podem incluir ainda flúor e/ou cloro. Em algumas modalidades exemplificativas, as composições de vidro da invenção contêm não mais do que 1,0% em peso, incluindo menos do que 0,5% em peso, menos do que 0,2% por peso, e menos do que 0,1% em peso de cada um de BaO, SrO, P2O5 e SO3. Particularmente, a composição de vidro pode incluir menos do que cerca de 5,0% em peso de BaO, SrO, P2O5 e/ou SO3 combinados, em que cada um de BaO, SrO, P2O5 e SO3 se presente em todos, está presente em uma quantidade inferior a 1,0% em peso.
[064] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro compreende uma razão de MgO/(CaO+SrO) que é de pelo menos 1,5, incluindo pelo menos 1,7, pelo menos 2,0, pelo menos 2,1, pelo menos 2,2 e pelo menos 2,3.
[065] Conforme usado no presente documento, os termos ”% em peso” e
”porcentagem em peso” podem ser usados indistintamente e têm o objetivo de denotar a porcentagem em peso (ou porcentagem em peso) com base no composição total.
[066] Como indicado acima, as composições de vidro inventivas demonstram inesperadamente um módulo elástico otimizado, enquanto mantêm as propriedades de formação desejáveis.
[067] A resistência à tração da fibra também é aqui referida simplesmente como ”resistência". Em algumas modalidades exemplificativas, a resistência à tração é medida em fibras originais (isto é, fibras produzidas em laboratório não dimensionadas e intocadas) usando um aparelho de teste de tração Instron de acordo com ASTM D2343-
09. Fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva descrita acima podem ter uma resistência à tração da fibra de pelo menos 4.000 MPa, incluindo pelo menos 4.250 MPa, pelo menos 4.400 MPa, pelo menos 4.500 MPa, pelo menos 4.800 MPa, pelo menos 4.900 MPa, a pelo menos 4.950 MPa, pelo menos 5.000 MPa, pelo menos 5.100 MPa, pelo menos 5.150 MPa e pelo menos 5.200 MPa. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de vidro formadas a partir da composição descrita acima têm uma resistência à tração da fibra de cerca de 4.200 a cerca de 5.500 MPa, incluindo cerca de 4300 MPa a cerca de 5.350 MPa, cerca de 4.600 a cerca de 5.315 MPa. Vantajosamente, a combinação de parâmetros de composição aqui divulgados torna possível a produção de fibras de vidro com resistência à tração de pelo menos 4.800 MPa, incluindo pelo menos 4.900 MPa e pelo menos 5.000, o que ainda não foi alcançado pela técnica anterior com uma composição de vidro tendo propriedades desejáveis de fibra.
[068] O módulo elástico de uma fibra de vidro pode ser determinado tomando as medidas médias em cinco fibras de vidro simples medidas de acordo com o procedimento de medição sônica descrito no relatório ”Glass Fiber Drawing and Measuring Facilities at the US Naval Ordnance Laboratory", Número de Relatório NOLTR 65-87, 23 de junho de
1965.
[069] As fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva podem ter um módulo elástico de pelo menos cerca de 88 GPa, incluindo pelo menos cerca de 89,5 GPa, pelo menos cerca de 90,5 GPa, pelo menos cerca de 91 GPa, pelo menos cerca de 93 GPa, pelo menos cerca de 95 GPa, ou pelo menos cerca de 96 GPa. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva têm um módulo elástico entre cerca de 88 GPa e cerca de 115 GPa, incluindo entre cerca de 89 GPa e cerca de 100 GPa, e entre cerca de 93,1 GPa e cerca de 98 GPa.
[070] O módulo elástico pode então ser usado para determinar o módulo específico. É desejável ter um módulo específico tão alto quanto possível para alcançar um material compósito leve que adiciona rigidez ao artigo final. O módulo específico é importante em aplicações onde a rigidez do produto é um parâmetro importante, como em energia eólica e aplicações aeroespaciais. Conforme usado no presente documento, o módulo específico é calculado pela seguinte equação: Módulo específico (MJ/kg) = Módulo (GPa)/Densidade (kg/metro cúbico)
[071] As fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva têm um módulo específico de cerca de 33,0 MJ/kg a cerca de 40,0 MJ/kg, incluindo cerca de 34,1 MJ/kg a cerca de 37 MJ/kg e cerca de 34,5 MJ/kg a cerca de 36,5 MJ /kg.
[072] A densidade pode ser medida por qualquer método conhecido e comumente aceito na técnica, como o método de Arquimedes (ASTM C693-93 (2008)) em vidro a granel não recozido. As fibras de vidro têm uma densidade de cerca de 2,0 a cerca de 3,0 g/cm3. Em outras modalidades exemplificativas, as fibras de vidro têm uma densidade de cerca de 2,3 a cerca de 2,8 g/cm3, incluindo de cerca de 2,4 a cerca de 2,78 g/cm3, e cerca de 2,50 a cerca de 2,75 g/cm3.
[073] De acordo com algumas modalidades exemplificativas, um método é fornecido para preparar fibras de vidro a partir da composição de vidro descrita acima. As fibras de vidro podem ser formadas por qualquer meio conhecido e tradicionalmente usado na técnica. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de vidro são formadas pela obtenção de ingredientes crus e mistura dos ingredientes nas quantidades apropriadas para dar as porcentagens de peso desejadas da composição final. O método pode ainda incluir fornecer a composição de vidro da invenção na forma fundida e puxar a composição fundida através de orifícios em uma bucha para formar uma fibra de vidro.
[074] Os componentes da composição de vidro podem ser obtidos a partir de ingredientes adequados ou matérias-primas, incluindo, mas não se limitando a, areia ou pirofilita para SiO2, calcário, cal queimada, volastonita ou dolomita para CaO, caulim, alumina ou pirofilita para Al2O3, dolomita, cal dolomítica, brucita, enstatita, talco, magnesita queimada, MgO ou magnesita para, e carbonato de sódio, feldspato de sódio ou sulfato de sódio para o Na2O. Em algumas modalidades exemplificativas, o casco de vidro pode ser usado para fornecer um ou mais dos óxidos necessários.
[075] O lote misturado pode então ser fundido em um forno ou fundidor e o vidro derretido resultante é passado ao longo de um anteparo e puxado através dos orifícios de uma bucha localizada na parte inferior do anteparo para formar filamentos de vidro individuais. Em algumas modalidades exemplificativas, o forno ou fundidor é um fundidor refratário tradicional. Ao utilizar um tanque refratário formado de blocos refratários, os custos de fabricação associados à produção de fibras de vidro produzidas pela composição inventiva podem ser reduzidos. Em algumas modalidades exemplificativas, a bucha é uma bucha à base de liga de platina. Fios de fibras de vidro podem então ser formados juntando os filamentos individuais. Os fios de fibra podem ser enrolados e posteriormente processados de uma maneira convencional adequada para a aplicação pretendida.
[076] As temperaturas de operação do vidro no aparelho de fusão, anteparo e bucha podem ser selecionadas para ajustar apropriadamente a viscosidade do vidro e podem ser mantidas usando métodos adequados, tais como dispositivos de controle. A temperatura na extremidade dianteira do aparelho de fusão pode ser controlada automaticamente para reduzir ou eliminar a desvitrificação. O vidro fundido pode então ser puxado (extraído) através de orifícios ou orifícios no fundo ou placa de ponta da bucha para formar fibras de vidro. De acordo com algumas modalidades exemplificativas, as correntes de vidro fundido fluindo através dos orifícios da bucha são atenuadas em filamentos pelo enrolamento de um cordão formado por uma pluralidade de filamentos individuais em um tubo de formação montado em uma pinça rotativa de uma máquina de enrolamento ou cortado a uma velocidade adaptativa. As fibras de vidro da invenção podem ser obtidas por qualquer um dos métodos descritos no presente documento, ou qualquer método conhecido para formar fibras de vidro.
[077] As fibras podem ser posteriormente processadas de uma maneira convencional adequada para a aplicação pretendida. Por exemplo, em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de vidro são dimensionadas com uma composição de colagem conhecida pelos versados na técnica. A composição de colagem não é de forma alguma restrita e pode ser qualquer composição de colagem adequada para aplicação em fibras de vidro. As fibras dimensionadas podem ser usadas para reforçar substratos, como uma variedade de plásticos, onde o uso final do produto requer alta resistência e rigidez e baixo peso. Tais aplicações incluem, mas não estão limitadas a panos tecidos para uso na formação de pás de turbinas eólicas; infraestrutura, como concreto armado, pontes etc.; e estruturas aeroespaciais.
[078] A este respeito, algumas modalidades exemplificativas da presente invenção incluem um material compósito que incorpora as fibras de vidro da invenção, como descrito acima, em combinação com um material de matriz endurecível. Isso também pode ser referido no presente documento como produto compósito reforçado. O material da matriz pode ser qualquer resina termoplástica ou termoendurecível adequada conhecida pelos versados na técnica, como, sem limitação, termoplásticos, tais como poliésteres, polipropileno, poliamida, tereftalato de polietileno e polibutileno, e resinas termoendurecíveis, como resinas epóxi, poliésteres insaturados, fenólicos, vinilésteres e elastômeros. Essas resinas podem ser usadas sozinhas ou em combinação. O produto composto reforçado pode ser usado para lâmina de turbina eólica, vergalhão, tubo, enrolamento de filamento, enchimento de silenciador, absorção de som e semelhantes.
[079] De acordo com outras modalidades exemplificativas, a invenção fornece um método de preparação de um produto composto conforme descrito acima. O método pode incluir a combinação de pelo menos um material de matriz polimérica com uma pluralidade de fibras de vidro. Tanto o material da matriz polimérica como as fibras de vidro podem ser conforme descrito acima.
[080] Composições de vidro exemplares de acordo com a presente invenção foram preparadas misturando componentes do lote em quantidades proporcionais para alcançar uma composição de vidro final com as percentagens em peso de óxido estabelecidas nas Tabelas 1-9, abaixo.
[081] As matérias-primas foram fundidas em cadinho de platina em forno aquecido eletricamente à temperatura de 1.650 ° C por 3 horas.
[082] A temperatura de fibrização foi medida usando um método de cilindro rotativo, conforme descrito em ASTM C965-96 (2007), intitulado ”Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point", cujos conteúdos são aqui incorporados a título de referência. A temperatura liquidus foi medida expondo o vidro a um gradiente de temperatura em um barco de liga de platina por 16 horas, conforme definido na ASTM C829-81 (2005), intitulada ”Standard Practices for Measurement of Liquidus Temperature of Glass", cujo conteúdo é aqui incorporado a título de referência.
A densidade foi medida pelo método de Arquimedes, conforme detalhado em ASTM C693-93 (2008), intitulado ”Standard Test Method for Density of Glass Buoyancy", cujos conteúdos são aqui incorporados a título de referência.
[083] O módulo específico foi calculado dividindo o módulo medido em unidades de GPa pela densidade em unidades de kg/m 3.
[084] A resistência foi medida em fibras puras usando um aparelho de teste de tração Instron de acordo com ASTM D2343-09 intitulado ”Standard Test Method for Tensile Properties of Glass Fiber Strands, Yarns, and Rovings Used in Reinforced Plastics", cujos conteúdos são incorporados a título de referência aqui.
TABELA 1 Exemplo 1 Exemplo 2 Exemplo 3 Exemplo 4 Exemplo 5 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 50,89 52,85 58 55,5 53,84 Al2O3 22,92 20,0 20,00 21,00 18,42 MgO 12,46 10,09 12,00 11,00 10,28 CaO 4,47 8,14 2,00 3,50 8,29 Li2O 2,20 2,00 2,00 2,00 2,00 Fe2O3 0,01 0,31 0,00 0,00 0,32 K2O 0,01 0,12 0,00 0,00 0,12 Na2O 0,03 0,11 0,00 0,00 0,12
TiO2 0,01 0,63 0,00 0,00 0,64 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 5,49 3,00 0,00 4,00 3,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 1,50 3,00 3,00 3,00 3,00 Ga2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 0,00 0,00 3,00 3,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 2,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2193 2191 2326 2277 2185 (˚F) Temperatura 2217 2171 2248 2293 2144 Liquidus (˚F)
ΔT -24 0,14 (20) 79 -16 42 (˚F) Densidade 2,744 2,733 2,656 2,690 2,732 (g/cm3) Módulo Elástico 98,0 94,4 94,3 94,1 94,1 (GPa) Módulo Específico 35,7 34,5 35,5 35,0 34,4 (MJ/kg) Força ----- ------ 4919 ----- ----- (MPa) TABELA 2 Exemplo 6 Exemplo 7 Exemplo 8 Exemplo 9 Exemplo 10 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 58,00 59,95 58,08 58,00 60,00
Al2O3 20,00 19,45 18,84 19 20,5 MgO 12,00 9,62 9,32 10,50 12,00 CaO 2,0 5,13 4,97 2,00 1,50 Li2O 2,00 1,85 1,79 1,50 2,00 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 4,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 3,00 0,00 7,00 3,00 3,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 0,00 0,0 2,00 0,00 Ga2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 3,00 0,00 0,00 3,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Propriedade
Temperatura 2319 2350 2338 2369 2355 de fibrização (˚F) Temperatura 2256 2405 2130 2307 2310 Liquidus (˚F) ΔT 63 -55 208 63 45 (˚F) Densidade 2,651 2,602 2,673 2,692 2,600 (g/cm3) Módulo 93,7 93,5 93,5 93,4 93,1 Elástico (GPa) Módulo 35,3 35,9 35,0 34,7 35,8
Específico (MJ/kg) Força 4929 4818 4830 ----- 4984 (MPa)
TABELA 3
Exemplo 11 Exemplo 12 Exemplo 13 Exemplo 14 Exemplo 15 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 58,00 60,50 59,00 55,60 60,00 Al2O3 20,0 20,5 22 19,02 22,00 MgO 11,00 12,0 12,0 10,61 14,00 CaO 3,00 1,50 3,00 8,562 0,00 Li2O 2,00 2,00 2,00 2,00 4,00 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,33 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,12 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,12 0,00 TiO2 0,00 0,00 2,00 0,66 0,00 Sc2O3 0,00 4,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 3,00 3,50 0,00 0,00 0,00 ZrO2 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZnO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 2,00 0,00 0,0 3,00 0,00 Ga2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Propriedade
Temperatura 2323 2367 2321 2208 2258 de fibrização (˚F) Temperatura 2222 2308 2316 2152 2262 Liquidus (˚F)
ΔT 101 59 6 57 -4 (˚F) Densidade 2,649 2,593 2,571 2,677 2,540 (g/cm3) Módulo Elástico 93,0 92,8 92,8 92,5 92,4 (GPa) Módulo Específico 35,1 35,8 36,1 34,6 36,4 (MJ/kg) Força --- 5058 5035 ----- 4936 (MPa) TABELA 4 Exemplo 16 Exemplo 17 Exemplo 18 Exemplo 19 Exemplo 20 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 57,33 60,00 61,20 63,50 60,26 Al2O3 19,61 20,00 19,85 20,50 19,55 MgO 10,94 12,00 9,82 12 19,67 CaO 8,83 2,00 5,23 2,00 5,15 Li2O 2,00 2,00 1,89 2,00 1,86 Fe2O3 0,34 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,13 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,12 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,68 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 2,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 3,5 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
ZnO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2236 2371 2381 2465 2378 (˚F) Temperatura 2190 2321 2235 2330 2191 Liquidus (˚F)
ΔT 47 50 146 126 188 (˚F) Densidade 2,620 2,596 2,577 2,546 2,607 (g/cm3) Módulo Elástico 92,4 92,3 92,2 92,0 92,0 (GPa) Módulo Específico 35,3 35,5 35,8 36,1 35,3 (MJ/kg) Força --- ---- 5056 5187 4927 (MPa) TABELA 5 Exemplo 21 Exemplo 22 Exemplo 23 Exemplo 24 Exemplo 25 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 59,50 62,00 58,00 60,00 60,50 Al2O3 20,00 21,00 19,50 20,50 20,50 MgO 11,00 12,00 11,00 12,00 12,00
CaO 2,00 3,00 2,00 1,50 1,50 Li2O 1,50 2,00 1,50 2,00 2,00 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 ZnO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 0,00 0,0 3,00 3,50 Ga2O3 0,00 0,00 4,00 0,00 0,00 Ta2O5 6,00 0,00 4,00 0,0 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2429 2420 2393 2360 2367 (˚F) Temperatura 2367 2310 2360 2289 2310 Liquidus (˚F)
ΔT 62 111 33 71 57 (˚F) Densidade 2,631 2,545 2,655 2,597 2,597 (g/cm3) Módulo Elástico 91,9 91,9 91,9 91,8 91,7 (GPa) Módulo Específico 34,9 36,1 34,6 35,4 35,3 (MJ/kg)
Força --- 5234 ----- 4953 4959 (MPa)
TABELA 6
Exemplo 26 Exemplo 27 Exemplo 28 Exemplo 29 Exemplo 30 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 59,30 61,00 63,00 62,50 62,40 Al2O3 20,00 20,50 21,00 20,50 20,30 MgO 10,00 12,00 12,00 12,00 12,00 CaO 4,00 2,50 2,00 3,00 3,30 Li2O 1,70 2,00 2,00 2,00 2,00 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZnO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 2,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 5,00 2,00 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Propriedade
Temperatura 2398 2380 2459 2398 2388 de fibrização
(˚F) Temperatura 2289 2287 2341 2281 2268 Liquidus (˚F)
ΔT 109 94 119 117 121 (˚F) Densidade 2,629 2,571 2,529 2,543 2,540 (g/cm3) Módulo Elástico 91,6 91,6 91,6 91,6 91,6 (GPa) Módulo Específico 34,8 35,6 36,2 36,0 36,0 (MJ/kg) Força 4934 --- 5224 5197 5026 (MPa) TABELA 7 Exemplo 31 Exemplo 32 Exemplo 33 Exemplo 34 Exemplo 35 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 61,00 58,08 58,30 64,50 64,00 Al2O3 20,00 18,84 20,00 20,50 21,00 MgO 11,50 9,32 11,00 12,00 12,00 CaO 2,00 4,97 4,00 1,00 1,00 Li2O 1,50 1,79 2,00 2,00 2,00 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,70 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 0,00 3,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
ZnO 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 7,00 0,0 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 4,00 0,00 0,00 0,0 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2380 2352 2306 2510 2481 (˚F) Temperatura 2374 2167 2169 2387 2387 Liquidus (˚F)
ΔT 7 186 138 123 115 (˚F) Densidade 2,593 2,683 2,628 2,522 2,517 (g/cm3) Módulo Elástico 91,5 91,5 91,5 91,4 91,4 (GPa) Módulo Específico 35,3 34,1 34,8 36,3 36,3 (MJ/kg) Força ---- 4850 ---- 5315 5132 (MPa) TABELA 8 Exemplo 36 Exemplo 37 Exemplo 38 Exemplo 39 Exemplo 40 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 61,00 61,00 60,26 61,00 59,30 Al2O3 20,50 20,50 19,55 20,00 20,00
MgO 12,00 12,00 9,67 11,50 10,00 CaO 2,50 2,50 5,15 2,00 3,00 Li2O 2,00 2,00 1,86 1,50 1,70 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZnO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 0,00 3,50 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 2,00 0,00 4,00 3,00 Ta2O5 0,00 0,00 0,00 0,0 3,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2356 2375 2388 2423 2412 (˚F) Temperatura 2317 2299 2185 2376 2336 Liquidus (˚F)
ΔT 40 77 203 48 76 (˚F) Densidade 2,558 2,562 2,612 2,577 2,619 (g/cm3) Módulo Elástico 91,3 91,3 91,1 91,1 91,1 (GPa) Módulo 35,7 35,6 34,9 35,3 34,8
Específico (MJ/kg) Força ---- --- 4948 ---- 4875 (MPa)
TABELA 9
Exemplo 43 Exemplo 41 Exemplo 42 Exemplo 44 Exemplo 45 Componente (% em (% em peso) (% em peso) (% por peso) (% por peso) peso) SiO2 59,50 59,95 61,82 58,60 58,60 Al2O3 20,00 19,45 20,06 19,30 19,80 MgO 11,00 9,62 9,92 9,50 9,30 CaO 2,00 5,13 5,29 4,30 4,00 Li2O 1,50 1,85 1,91 1,80 1,80 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 0,00 0,00 6,50 6,50 ZrO2 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 ZnO 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ga2O3 6,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ce2O3 0,00 4,00 0,00 0,00 0,00 B2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Propriedade Temperatura de fibrização 2408 2373 2443 2332 2346 (˚F) Temperatura 2380 2205 2230 2195 2208 Liquidus (˚F)
ΔT 28 168 213 138 138 (˚F) Densidade 2,605 2,619 2,559 2,655 2,651 (g/cm3) Módulo Elástico 91,0 91,0 91,0 93,1 93,1 (GPa) Módulo Específico 35 34,7 35,5 35,1 35,1 (MJ/kg) Força ---- 4913 5016 ---- ----- (MPa) TABELA 10 Exemplo 46 Exemplo 47 Exemplo 48 Exemplo Componente (% em peso) (% em peso) (% por peso) Comparativo SiO2 58,60 58,00 59,00 60,70 Al2O3 19,55 19,53 19,07 15,80 MgO 9,30 10,74 10,49 8,00 CaO 4,25 3,91 3,81 13,40 Li2O 1,80 1,95 1,91 0,75 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,27 K2O 0,00 0,00 0,00 0,10 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,23 TiO2 0,00 0,00 0,00 0,48 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 ----
Y2O3 6,50 3,91 3,81 ---- ZrO2 0,00 0,00 0,00 ---- ZnO 0,00 0,00 0,00 ---- Nb2O5 0,00 0,00 0,00 ---- La2O3 0,00 0,00 1,91 ---- Ga2O3 0,00 0,00 0,00 ---- Ta2O5 0,00 0,00 0,00 ---- V2O5 0,00 0,00 0,00 ---- Ce2O3 0,00 0,00 0,00 ---- B2O3 0,00 0,00 0,00 ---- Propriedade Temperatura de fibrização 2340 2312 2332 2324 (˚F) Temperatura 2183 2166 2185 2140 Liquidus (˚F)
ΔT 158 147 148 184 (˚F) Densidade 2,652 2,653 2,641 2,614 (g/cm3) Módulo Elástico 92,9 92,8 92,4 87,5 (GPa) Módulo Específico 35 35 35 33,5 (MJ/kg) Força ---- --- ---- 4637 (MPa)
[085] As tabelas 1-10 ilustram a melhoria no módulo elástico que as composições de vidro da invenção têm em relação ao vidro comercial de alto desempenho (exemplo comparativo). O Exemplo Comparativo demonstra um módulo elástico de 87,5 GPa, que está abaixo do módulo elástico mínimo visto em qualquer uma das composições da invenção. Instrutivamente, cada uma das composições inventivas demonstra um módulo elástico de pelo menos 88 GPa e, mais especificamente, pelo menos 90 GPa.
[086] A invenção deste pedido foi descrita acima tanto genericamente quanto em relação a modalidades específicas. Embora a invenção tenha sido apresentada no que se acredita serem as modalidades preferenciais, uma ampla variedade de alternativas conhecidas pelos versados na técnica podem ser selecionadas dentro da revelação genérica. A invenção não está limitada de outra forma, exceto para a recitação das reivindicações apresentadas abaixo.
Claims (20)
1. Composição de vidro CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1,0 a 5,0% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a menos que 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 1,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso, Y2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e uma concentração total de La2O3+Y2O3 em uma quantidade de 2,0 a 10,0% em peso, em que uma fibra de vidro formada a partir da dita composição de vidro tem um módulo elástico entre 88 e 115 GPa e uma resistência à tração de acordo com ASTM D2343 -09 de pelo menos 4.400 MPa.
2. Composição de vidro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que inclui adicionalmente: 0 a cerca de 7,0% em peso de Ta2O5; 0 a cerca de 7,0% em peso de Ga2O3; 0 a cerca de 2,5% em peso de Nb2O5, e 0 a cerca de 2,0% em peso V2O5.
3. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2,
CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição inclui 0,1 a 5,5% em peso de Ta2O3.
4. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição inclui 6,0 a 10% em peso de Y2O3.
5. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição inclui mais que 1,5 a 10% em peso de La2O3.
6. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição compreende uma razão de MgO/(CaO+SrO) maior do que 2,1.
7. Composição de vidro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição é essencialmente isenta de B2O3.
8. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição compreende 0,1 a 3,5% em peso de Li2O.
9. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição inclui pelo menos 4% em peso de Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3.
10. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição tem uma temperatura de fibrização menor que a 1.454 °C (2.650 °F).
11. Fibra de vidro formada a partir de uma composição, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso;
CaO em uma quantidade de 1 a 8,5% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a menos que 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 0,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso, Y2O3 em uma quantidade de 6,0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso, em que a dita fibra de vidro tem um módulo elástico entre 88 e 115 GPa.
12. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro compreende 18,3 a 21,5% em peso de Al2O3.
13. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 e 12, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro inclui mais que 1,5 a 10% em peso de La2O3.
14. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro compreende uma razão de MgO/(CaO+SrO) maior do que 2,1.
15. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição é essencialmente isenta de B2O3.
16. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita composição compreende 1,5 a 3,5% em peso de Li2O.
17. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16,
CARACTERIZADA pelo fato de que a dita fibra de vidro tem um módulo elástico de 89 a 100 GPa.
18. Método para formar uma fibra de vidro contínua CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: fornecer uma composição fundida, conforme definido na reivindicação 1; e extrair a dita composição fundida através de um orifício para formar uma fibra de vidro contínua.
19. Produto compósito reforçado CARACTERIZADO pelo fato de que compreende; uma matriz polimérica; e uma pluralidade de fibras de vidro formadas a partir de uma composição de vidro que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 65,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1,0 a 5,0% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; Na2O em uma quantidade de 0,0 a 1,0% em peso; K2O em uma quantidade de 0,0 a menos que 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 1,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 2,5% em peso, Y2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; La2O3 em uma quantidade de 0 a 10,0% em peso; Ce2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 5,0% em peso; e uma concentração total de La2O3+Y2O3 em uma quantidade de 2,0 a 10,0% em peso, em que as fibras de vidro têm um módulo elástico entre 88 e 115 GPa e uma resistência à tração de acordo com ASTM D2343 -09 de pelo menos 4.400 MPa.
20. Produto compósito reforçado, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito produto compósito reforçado tem a forma de uma pá de turbina eólica.
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