BR112021010112A2

BR112021010112A2 - Composição de fibra de vidro de alto desempenho com módulo específico melhorado

Info

Publication number: BR112021010112A2
Application number: BR112021010112-8A
Authority: BR
Inventors: Michelle L. Korwin-Edson
Original assignee: Owens Corning Intellectual Capital, Llc
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-08-24
Also published as: CN111217531B; WO2020112396A2; MX2021005663A; US20200165158A1; JP2022507967A; US11524918B2; WO2020112396A3; EP3887328A2; KR20210096138A; CA3117986A1; CN111217531A; JP7480142B2

Abstract

COMPOSIÇÃO DE FIBRA DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO COM MÓDULO ESPECÍFICO MELHORADO. As fibras de vidro formadas a partir da composição da invenção podem ser usadas em aplicações que requerem alta rigidez e têm um módulo específico entre 34 e 40 MJ/kg. Essas aplicações incluem tecidos para uso na formação de pás de turbinas eólicas e estruturas aeroespaciais.

Description

“COMPOSIÇÃO DE FIBRA DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO COM MÓDULO ESPECÍFICO MELHORADO” PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório US No. 62/771.245, depositado em 26 de novembro de 2018, intitulado “COMPOSIÇÃO DE

FIBRA DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO COM MÓDULO ESPECÍFICO MELHORADO”, cuja divulgação integral é aqui incorporada por referência.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[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 fundido em um aparelho de fusão e o vidro fundido 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 encolante contendo lubrificantes, agentes de acoplamento e resinas aglutinantes formadoras de filme pode então ser aplicada aos filamentos. Após o encolante 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 úmidas 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 do mesmo, é frequentemente expressa em termos dos óxidos contidos no mesmo, 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 líquida permite que as temperaturas operacionais para a produção de fibras de vidro sejam de aproximadamente 1.038 °C a 1.316 °C (1.900 °F a 2.400 °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 TiO, 0,05 a 0,4% em peso de Fe2O3 e 0 a 1,0% em peso de 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 divulgadas na Pat. No. 5.789.329, incorporada neste documento por referência em sua totalidade, oferecem 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] Vidro R 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. Vidro R 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 Vidro R contém mais alumina e sílica do que o Vidro E e requer temperaturas de fusão e processamento mais altas durante a formação da fibra. Normalmente, as temperaturas de fusão e processamento para Vidro R 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 Vidro R requer que o vidro seja fibrosado a uma viscosidade menor que a de Vidro E, que é normalmente fibrosado em ou próximo a cerca de 1000 poise. A fibrização do Vidro R na viscosidade normal de 1000 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, é desejável que as composições de vidro de alto desempenho possuam propriedades mecânicas e físicas favoráveis (por exemplo, módulo específico e resistência à tração), enquanto mantêm as propriedades de formação desejáveis (por exemplo, temperatura de líquido e temperatura de fibrização). 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 de elasticidade e muda sua forma apenas ligeiramente sob cargas elásticas. Um material flexível tem um baixo módulo de elasticidade e muda sua forma consideravelmente. O módulo específico é uma medida do módulo de elasticidade por densidade de massa de um material de fibra de vidro. Também pode ser conhecido como a relação rigidez/peso e é frequentemente usado para determinar fibras de vidro com peso mínimo, sem sacrificar a rigidez.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Várias modalidades exemplares dos presentes conceitos inventivos são direcionadas a uma composição de vidro que compreende: SiO2 em uma quantidade 58,0-68,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1,0 a 9,0% 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 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 0,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 4,0% 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 2,5% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 4,0% em peso.

[010] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro tem uma razão MgO/(CaO + SrO) maior do que 2,1.

[011] Em algumas modalidades exemplares, a fibra de vidro formada a partir da composição de vidro tem módulo específico entre 34 e 40 MJ/kg.

[012] A composição de vidro pode ainda incluir 0 a 5,0% em peso de Ta2O5; 0 a 7,0% em peso de Ga2O3; 0 a 5,0% em peso de Nb2O5 e 0 a 5,0% em peso de V2O5.

[013] Em várias modalidades exemplares, a composição de vidro é essencialmente livre de B2O3.

[014] Em várias modalidades exemplares, a composição de vidro compreende 0,1 a 3,5% em peso de Li2O.

[015] Em várias modalidades exemplares, a composição inclui pelo menos 1% em peso de uma quantidade combinada de um ou mais de Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3.

[016] Em várias modalidades exemplares, a composição compreende menos de 0,05% em peso de Sm2O3 + Gd2O3.

[017] Outros aspectos exemplares dos presentes conceitos inventivos são direcionados a uma fibra de vidro formada a partir de uma composição que compreende: SiO2 em uma quantidade 55,0-68,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1,0 a 9,0% 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 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade maior que 1,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 4,0% 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 2,5% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 4,0% em peso. A fibra de vidro possui um módulo específico entre 34 e 40 MJ/kg. A fibra de vidro tem ainda uma resistência à tração de acordo com ASTM D2343-09 de pelo menos 4400 MPa.

[018] Em várias modalidades exemplares, a composição compreende 1,5 a 3,5% em peso de Li2O.

[019] Em várias modalidades exemplares, a composição compreende 1,0 a 5,0% em peso de CaO.

[020] Em várias modalidades exemplares, a composição inclui pelo menos 1% em peso de uma quantidade combinada de um ou mais de Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3.

[021] Outras modalidades exemplares são direcionadas a uma fibra de vidro que tem um módulo específico de 35 a 36,5 MJ/kg.

[022] 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.

[023] Ainda outros aspectos exemplificativos dos presentes conceitos inventivos são direcionados a um produto compósito reforçado que compreende uma matriz de polímero; e uma pluralidade de fibras de vidro formadas a partir de uma composição de vidro que compreende SiO2 em uma quantidade 58,0-68,0% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 18,0 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 1,0 a 9,0% 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 1,0% em peso; Li2O em uma quantidade de 0,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 4,0% 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 2,5% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 4,0% em peso.

[024] Em várias modalidades exemplares, a composição de vidro tem uma razão MgO/(CaO + SrO) maior do que 2,1.

[025] A fibra de vidro possui um módulo específico entre 34 e 40 MJ/kg.

[026] Em algumas modalidades exemplares, o produto compósito reforçado está na forma de uma pá de turbina eólica.

[027] 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.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[028] Salvo definido em contrário, todos os os termos técnicos e os científicos aqui utilizados possuem os mesmos significados que os comumente entendidos por um técnico especialista no assunto aos quais essas nidakudades exemplares pertencem. A terminologia usada na descrição neste documento é para descrever modalidades exemplares apenas e não se destina a ser limitante das modalidades exemplares. Consequentemente, os conceitos inventivos gerais não se destinam a ser limitados às modalidades específicas aqui ilustradas. Embora outros métodos e materiais semelhantes ou equivalentes aos descritos neste documento possam ser usados na prática ou teste da presente invenção, os métodos e materiais preferenciais são descritos neste documento.

[029] Conforme usado na descrição e nas reivindicações em anexo, as formas singulares "um", "uma" e "o/a" também pretendem incluir as formas plurais, a menos que o contexto indique claramente o contrário.

[030] Salvo indicação em contrário, todos os números que expressam quantidades de ingredientes, propriedades químicas e moleculares, condições de reação e assim por diante usados no relatório descritivo e nas reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo "cerca de". Por conseguinte, a menos que indicado em contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos no relatório descritivo e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas a serem obtidas pelas presentes modalidades exemplares. No mínimo, cada parâmetro numérico deve ser interpretado à luz do número de dígitos significativos e abordagens de arredondamento ordinárias.

[031] Não obstante os intervalos numéricos e parâmetros que estabelecem o amplo escopo das modalidades exemplares são aproximações, os valores numéricos estabelecidos nos exemplos específicos são relatados com a maior precisão possível. Qualquer valor numérico, entretanto, contém inerentemente certos erros necessariamente resultantes do desvio padrão encontrado em suas respectivas medições de teste. Cada intervalo numérico dado ao longo desta especificação e reivindicações incluirá cada intervalo numérico mais estreito que estiver dentro de um intervalo numérico mais amplo, como se esses intervalos numéricos mais estreitos fossem todos expressamente escritos aqui. 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 divulgada neste documento.

[032] A presente divulgação se refere a uma composição de vidro de alto desempenho com módulo específico 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 específico mais alto para resistir às forças aplicadas a elas sem quebrar e sem adicionar muito peso adicional. 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.

[033] As composições de vidro aqui divulgadas são adequadas para fusão em fornos de vidro revestido com refratário tradicionais disponíveis no mercado, que são amplamente utilizados na fabricação de fibras de reforço de vidro.

[034] 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 1000 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 fundir 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.

[035] Por exemplo, em uma temperatura de fibrização mais baixa, uma bucha pode operar em uma temperatura mais fria e, portanto, não "curva" tão rapidamente como normalmente é visto. “Curvatura” 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.

[036] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de vidro tem uma temperatura de fibrização menor que 1.454,4 °C (2.650 °F), incluindo temperaturas de fibrização não maiores do que 1.427 °C (2.600 °F), não maiores do que 1.399 °C (2.550 °F), não maiores do que 1.371,1 °C (2.500 °F), não maiores do que 1.354,4 °C (2.470 °F), não maiores do que 1.326,7 °C (2.420 °F), não maiores do que 1.321,1 °C (2.410 °F), não maiores do que 1.307,2 °C (2.405 °F), não maiores do que 1.316 °C (2.400 °F) e não maiores do que 1.310 °C (2.390 °F) e não maiores do que 1.307,2 °C (2385 °F). Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro tem uma temperatura de fibrização não maior do que 1.260 °C (2.300 °F), tal como não maior do que 1.371,1 °C (2.500 °F) e não maior do que 1.204,4 °C (2.200 °F).

[037] Outra propriedade de formação de fibra de uma composição de vidro é a temperatura liquidus. 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 batel 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 liquidus, podem se formar cristais.

[038] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro tem uma temperatura liquidus menor do que 1.426,7 °C (2.600 °F), incluindo temperatura liquidus não maior do que 1.315,6 °C (2.400 °F), não maior do que 1.302 °C (2.375 °F), não maior do que 1.288 °C (2.350 °F), não maior do que 1.274 °C (2.325 °F), não maior do que 1.263 °C (2.305 °F), não maior do que 1.260 °C (2.300 °F), não maior do que 1.254,4 °C (2.290 °F), não maior do que 1.232,2 °C (2.250 °F), não maior do que 1.218,3 °C (2.225 °F) e não maior do que 1.213 °C (2.215 °F). Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro tem uma temperatura liquidus entre

1.121,1 °C (2.050 °F) e 1399 °C (2.550 °F), incluindo entre 1.177 °C (2.150 °F) e 1.366

°C (2.490 °F), entre 1.199 °C (2.190 °F) e 1.343,3 °C (2.450 °F) e entre 1.232,2 °C (2.250 °F) e 1.343,3 °C (2.450 °F).

[039] 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 maior grau de flexibilidade 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.

[040] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro tem um ΔT de pelo menos -51,1 °C (-60 °F), incluindo pelo menos -29 °C (-20 °F), incluindo pelo menos 4,4 °C (40 °F), incluindo pelo menos 27 °C (80 °F), incluindo pelo menos 38 °C (100 °F), pelo menos 43,3 °C (110 °F), pelo menos 49 °C (120 °F), pelo menos 57,2 °C (135 °F), pelo menos 65,5 °C (150 °F) e pelo menos 76,7 °C (170 °F). Em várias modalidades exemplares, a composição de vidro tem um ΔT entre 38 °C (100 °F) e 121,1 °C (250 °F), incluindo entre 49 °C (120 °F) e 93,3 °C (200 °F) e entre 65,5 °C (150 °F) e 101,7 °C (215 °F).

[041] A composição de vidro pode incluir cerca de 55,0 a cerca de 68,0% em peso de SiO2, cerca de 18,0 a cerca de 23,0% em peso de Al2O3, cerca de 9 0,0 a cerca de 14,0% em peso de MgO, e cerca de 9,0 % em peso de CaO, 0,0 a cerca de 1,0% em peso de Na2O, 0 a cerca de 1,0% em peso de K2O, 0 a cerca de 4,0 % 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 2,5 % em peso de Ce2O3 e 0 a cerca de 4,0% em peso de Sc2O3. A composição de vidro pode incluir ainda 0 a cerca de 5,0% em peso de Ta2O5, 0 a cerca de 7,0% em peso de Ga2O3, 0 a cerca de 5,0 % em peso de Nb2O5 e 0 a cerca de 5,0% em peso de V2O5.

[042] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro pode incluir cerca de 59,0 a cerca de 65,0% em peso de SiO2, cerca de 18,3 a cerca de 22,0% em peso de Al2O3, cerca de 9,3 a cerca de 12,0% em peso de MgO, cerca de 1,0 a cerca de 8,5% 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 3,5% em peso de TiO2, de 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. Em várias modalidades exemplares, a composição de vidro é livre de ZrO2. A composição de vidro pode ainda incluir cerca de 0,01 a cerca de 7,0% em peso de Y2O3, cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso de La2O3, cerca de 0,01 a cerca de 2,0% em peso de Ce2O3 e cerca de 0,01 a cerca de 3,5% em peso de Sc2O3. A composição de vidro pode incluir ainda cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso de Ta2O5, cerca de 0,01 a cerca de 6,0% em peso de Ga2O3, cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso de Nb2O5 e cerca de 0,01 a 4,0 % em peso de V2O5.

[043] A composição de vidro inclui pelo menos 50% em peso e não mais do que cerca de 75% em peso de SiO2. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui pelo menos cerca de 55% em peso de SiO2, incluindo pelo menos 57% em peso, pelo menos 58% em peso, pelo menos 58,5% em peso e pelo menos 59% em peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro não inclui mais do que cerca de 70% em peso de SiO2, incluindo não mais do que 68% em peso, não mais do que 65,5% em peso, não mais do que 63% em peso, não mais do que 61% em peso e não mais do que 60,5% em peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 59% em peso a cerca de 68% em peso, ou cerca de 60% em peso a cerca de 65% em peso de SiO2.

[044] 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 cerca de 16,0% em peso e não mais do que cerca de 25% em peso. A inclusão de mais do que cerca de 25% em peso de Al2O3 faz com que o vidro liquidus aumente a um nível acima da temperatura de fibra, o que resulta em um ΔT negativo. Incluindo menos de 17% em peso de Al2O3 forma uma fibra de vidro com um módulo desfavoravelmente baixo. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui pelo menos cerca de 17,0% em peso de Al2O3, incluindo pelo menos 18,0% em peso, pelo menos 19,0% em peso, pelo menos 19,5% em peso e pelo menos 20,0% em peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 18,3 a cerca de 23% em peso de Al2O3, incluindo cerca de 18,8 a cerca de 22% em peso de Al2O3.

[045] A composição de vidro inclui ainda com vantagem pelo menos cerca de 8,0% em peso e não mais do que cerca de 15% em peso de MgO. Incluindo mais do que cerca de 15% em peso de MgO fará com que a temperatura liquidus aumente, o que também aumenta a tendência de cristalização do vidro. Incluindo menos do que cerca de 8,0%, em peso forma uma fibra de vidro com um baixo módulo desfavoravelmente se substituído por CaO e um aumento na viscosidade desfavorável se substituído com SiO2. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui pelo menos cerca de 9,0% em peso de MgO, incluindo pelo menos 9,2% em peso, pelo menos 9,5% em peso, pelo menos 10% em peso, pelo menos 11% em peso, pelo menos 11,25 % em peso, pelo menos 12,5% em peso e pelo menos 13% em peso de MgO. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro compreende uma concentração de MgO entre cerca de 9,3 e cerca de 14% em peso, ou entre cerca de 9,6 e cerca de 12% em peso.

[046] A composição de vidro pode incluir opcionalmente CaO em concentrações de até cerca de 10,0% em peso. Incluindo mais do que cerca de 10% em peso de CaO, forma-se um vidro com um módulo de elasticidade inferior ao desejado. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui entre 0 e cerca de 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 5,5% por peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui uma concentração de CaO entre 1,0% em peso e 5,5% em peso.

[047] Em algumas modalidades exemplares, a concentração total de MgO e CaO é de pelo menos cerca de 10% em peso e não mais do que cerca de 22% em peso, incluindo entre 12,0 % em peso e 20 % em peso, e entre 14% em peso e 19,5 % por peso.

[048] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de TiO2. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui 0% em peso a cerca de 4,0% em peso de TiO2, incluindo cerca de 0,01% em peso a cerca de 3,5% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 0,75% em peso.

[049] A composição de vidro pode incluir até cerca de 1,0% em peso de Fe2O3. Em algumas modalidades exemplares, 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.

[050] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de Li2O. Em algumas modalidades exemplares, 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 exemplares, 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.

[051] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui menos de cerca de 2,0% em peso dos óxidos de metal alcalino Na2O e K2O, incluindo entre 0 e cerca de 1,5% em peso, entre 0,05 e 0,75% em peso e entre 0,1 e 0,3% em peso. A composição de vidro pode incluir Na2O e K2O em uma quantidade maior do que cerca de 0,01% em peso de cada óxido. Em algumas modalidades exemplares,

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 exemplares, 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 exemplares, a composição de vidro inclui menos de 1,0% em peso de K2O, tal como menos de 0,75% em peso ou menos de 0,50% em peso.

[052] A composição de vidro pode incluir até cerca de 1,5% em peso de ZrO2. Em algumas modalidades exemplares, 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.

[053] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui até cerca de 10,0% em peso dos óxidos terrosos raros Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3 (“R2O3”), incluindo entre 0 e 10,0% em peso, ou entre 0,1 e 7,0% em peso. A composição de vidro pode incluir qualquer um dos óxidos R2O3 em uma quantidade maior do que cerca de 0,01% por peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 10% em peso de Y2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 7,0% em peso, cerca de 0,05 a cerca de 4,0% em peso e 0,8 a cerca de 3,5% em peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 10% em peso de La2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 4,0% em peso, cerca de 0,05 a cerca de 3,5% em peso e 0,1 a cerca de 3,0% em peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 2,5% em peso de Ce2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 2,0% em peso, cerca de 0,05 a cerca de 1,8% em peso e 0,1 a cerca de 1,5% em peso. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0 a cerca de 4% em peso de Sc2O3, incluindo cerca de 0,01 a cerca de 3,5% em peso,

cerca de 0,05 a cerca de 3,2% em peso e 0,1 a cerca de 3,0% em peso.

[054] Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui uma concentração total de CeO2 + 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.

[055] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de Ta2O5. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 4,0% 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.

[056] A composição de vidro pode incluir até cerca de 7,0% em peso de Ga2O3. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 6,0% em peso de Ga2O3, incluindo cerca de 0,05% em peso a cerca de 5,5% em peso e cerca de 0,1 a cerca de 5,0% em peso.

[057] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de Nb2O5. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 4,0% em peso de Nb2O5, 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.

[058] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de V2O5. Em algumas modalidades exemplares, a composição de vidro inclui cerca de 0,01% em peso a cerca de 4,0% em peso de V2O5, 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.

[059] As composições de vidro podem incluir até cerca de 1,0% em peso de Sm2O3 e/ou Gd2O3. No entanto, várias modalidades exemplares limitam a concentração total de Sm2O3 e Gd2O3 a menos de 0,5% em peso, incluindo menos de 0,1% em peso e menos de 0,05% em peso.

[060] A composição de vidro pode incluir até cerca de 5,0% em peso de ZnO. Em algumas modalidades exemplares, 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.

[061] 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 menor do que vários percentuais. Tal como aqui utilizado, 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.

[062] 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 exemplares, as composições de vidro inventivas contêm não mais do que cerca de 1,0% em peso, incluindo menos de 0,5% em peso, menos de 0,2% em peso e menos de 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 menor do que 1,0% em peso.

[063] Em algumas modalidades exemplares, 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.

[064] Conforme usado neste documento, os termos “porcentagem em peso”, “% em peso”, “% 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 na composição total.

[065] Como indicado acima, as composições de vidro inventivas demonstram inesperadamente um módulo específico otimizado, enquanto mantêm as propriedades de formação desejáveis.

[066] 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 cerca de 3.500 MPa, incluindo pelo menos 4.000 MPa, pelo menos 4.400 MPa, pelo menos 4.500 MPa, pelo menos 4.800 MPa, pelo menos 4.900 MPa, 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 exemplares, as fibras de vidro formadas a partir da composição descrita acima têm uma resistência à tração da fibra de cerca de 3500 a cerca de 5500 MPa, incluindo cerca de 4000 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 resistências à tração de pelo menos cerca de 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 com propriedades desejáveis de fibra.

[067] O módulo de elasticidade 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 U. S. Naval Ordnance Laboratory”, Número do relatório NOLTR 65-87, 23 de junho de 1965.

[068] As fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva podem ter um módulo de elasticidade de pelo menos cerca de 85 GPa, incluindo pelo menos cerca de 88 GPa, pelo menos cerca de 88,5 GPa, pelo menos cerca de 89 GPa e pelo menos cerca de 89,5 GPa. Em algumas modalidades exemplares, as fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva têm um módulo de elasticidade entre cerca de 85 GPa e cerca de 115 GPa, incluindo entre cerca de 87 GPa e cerca de 100 GPa, e entre cerca de 88 GPa e cerca de 98 GPa.

[069] O módulo de elasticidade 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 neste documento, o módulo específico é calculado pela seguinte equação: Módulo específico (MJ/kg) = Módulo (GPa)/Densidade (kg/metro cúbico)

[070] As fibras de vidro exemplares formadas a partir da composição de vidro inventiva têm um módulo específico otimizado de cerca de 33,0 MJ/kg a cerca de 40,0 MJ/kg, incluindo cerca de 34,5 MJ/kg a cerca de 37 MJ/kg, e cerca de 35,8 MJ/kg a cerca de 36,5 MJ/kg.

[071] 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/cc. Em outras modalidades exemplares, as fibras de vidro têm uma densidade de cerca de 2,3 a cerca de 2,8 g/cc, incluindo de cerca de 2,4 a cerca de 2,78 g/cc, e cerca de 2,49 a cerca de 2,75 g/cc.

[072] De acordo com algumas modalidades exemplares, 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 exemplares, as fibras de vidro são formadas pela obtenção de ingredientes crus e mistura dos ingredientes nas quantidades apropriadas para conferir 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.

[073] Os componentes da composição de vidro podem ser obtidos a partir de ingredientes adequados ou matérias-primas, incluindo, entre outros, areia ou pirofilita para SiO2, calcário, cal queimada, volastonita ou dolomita para CaO, caulim, alumina ou pirofilita para Al2O3, dolomita, cal dolomítica, brucite, enstatite, talco, queimado magnesita, ou magnesita para MgO e carbonato de sódio, feldspato de sódio ou sulfato de sódio para o Na2O. Em algumas modalidades exemplares, o casco de vidro pode ser usado para fornecer um ou mais dos óxidos necessários.

[074] O lote misturado pode então ser fundido em um forno ou fundidor e o vidro fundido 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 exemplares, 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 exemplares, 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.

[075] 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 buracos ou orifícios no fundo ou placa de ponta da bucha para formar fibras de vidro. De acordo com algumas modalidades exemplares, 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 em uma velocidade adaptativa. As fibras de vidro da invenção podem ser obtidas por qualquer um dos métodos aqui descritos, ou qualquer método conhecido para formar fibras de vidro.

[076] As fibras podem ser posteriormente processadas de uma maneira convencional adequada para a aplicação pretendida. Por exemplo, em algumas modalidades exemplares, as fibras de vidro são encoladas com uma composição encolante conhecida pelos técnicos especialistas no assunto. A composição encolante não é de forma alguma restrita e pode ser qualquer composição encolante adequada para aplicação em fibras de vidro. As fibras encolantes 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, entre outras, tecidos para uso na formação de pás de turbinas eólicas; infraestrutura, como concreto armado, pontes, etc.; e estruturas aeroespaciais.

[077] A este respeito, algumas modalidades exemplares 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 aqui como um produto compósito reforçado. O material da matriz pode ser qualquer resina termoplástica ou termoendurecível adequada conhecida pelos técnicos especialistas no assunto, tal como, entre outros, 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 compósito reforçado pode ser usado para lâmina de turbina eólica, vergalhão, tubo, enrolamento de filamento, enchimento de silenciador, absorção de som e semelhantes.

[078] De acordo com outras modalidades exemplares, a invenção fornece um método de preparação de um produto compósito conforme descrito acima. O método pode incluir a combinação de pelo menos um material de matriz de polímero com uma pluralidade de fibras de vidro. Tanto o material da matriz polimérica como as fibras de vidro podem ser conforme descrito acima.

EXEMPLOS

[079] 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 1-8, abaixo.

[080] As matérias-primas foram fundidas em cadinho de platina em forno aquecido eletricamente em temperatura de 1.650 °C por 3 horas.

[081] A temperatura de fibrização foi medida usando um método de cilindro rotativo, conforme descrito em ASTM C965-96 (2007), intitulado “Prática Padrão para Medir Viscosidade de Vidro Acima do Ponto de Amolecimento”, cujos conteúdos são aqui incorporados por referência. A temperatura liquidus foi medida expondo o vidro a um gradiente de temperatura em um batel de liga de platina por 16 horas, conforme definido na ASTM C829-81 (2005), intitulada “Práticas Padrão para Medição da Temperatura Liquidus do Vidro”, cujo conteúdo são aqui incorporados por referência.

A densidade foi medida pelo método de Arquimedes, conforme detalhado em ASTM C693-93 (2008), intitulado “Método de teste padrão para densidade de flutuabilidade de vidro”, cujos conteúdos são aqui incorporados por referência.

[082] O módulo específico foi calculado dividindo o módulo medido em unidades de GPa pela densidade em unidades de kg/m3.

[083] A resistência foi medida em fibras puras usando um aparelho de teste de tração Instron, de acordo com ASTM D2343-09, intitulado “Método de teste padrão para propriedades de tração de fitas, fios e mechas de fibra de vidro usados em plásticos reforçados”, cujos conteúdos são incorporados por referência aqui. Tabela 1 Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Ex. 4 Ex. 5 Ex. 6 Componente (% em (% em (% em (% em (% em (% em peso) peso) peso) peso) peso) peso) SiO2 60,00 64,00 65,00 64,50 63,00 63,50 Al2O3 22,00 21,00 21,00 20,50 21,00 20,50 MgO 14,0 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 CaO 0,00 1,00 0,00 1,00 2,00 2,00 Li2O 4,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,00 0,0 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de 2258 2481 2520 2510 2459 2456 fibrização (˚F) Temperatura Liquidus 2262 2267 2434 2381 2341 2330 (˚F)

ΔT -4 115 86 123 119 126 (˚F) Densidade 2,540 2,517 2,495 2,522 2,529 2,564 (g/cc)

Módulo Elástico (GPa) 92,4 91,4 90,5 91,4 91,6 92,0 Módulo Específico 36,40 36,30 36,3 36,3 36,2 36,1 (MJ/kg) Resistência 4936 5132 4923 5315 5224 5186 (MPa) Tabela 2 Ex. 7 Ex. 8 Exemplo 9 Exemplo 10 Exemplo 11 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 62,00 59,00 62,4 62,50 65,50 Al2O3 21,00 22,0 20,30 20,50 20,50 MgO 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 CaO 3,00 3,00 3,30 3,00 0,00 Li2O 2,00 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 2,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2420 2321 2388 2398 2499 (˚F) Temperatura 2310 2316 2268 2281 2407 Liquidus (˚F)

ΔT 111 6 121 117 93 (˚F) Densidade 2,545 2,571 2,540 2,543 2,494 (g/cc) Módulo Elástico 91,9 92,8 91,6 91,6 89,7 (GPa) Módulo Específico 36,1 36,1 36,0 36,0 36,0 (MJ/kg)

Resistência 5234 5035 5026 5197 5018 (MPa) Tabela 3 Exemplo 12 Exemplo 13 Exemplo 14 Exemplo 15 Exemplo 16 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 59,95 60,00 61,20 60,50 61,00 Al2O3 19,45 20,5 19,85 20,50 20,50 MgO 11,15 12,00 9,82 12,00 12,00 CaO 5,13 1,50 5,23 1,50 2,50 Li2O 1,85 2,00 1,89 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 4,00 0,00 2,00 0,00 0,00 Y2O3 0,00 3,00 0,00 3,50 0,00 ZrO2 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 2,00 La2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2350 2355 2381 2367 2356 (˚F) Temperatura 2405 2310 2235 2308 2317 Liquidus (˚F)

ΔT 176 45 146 59 40 (˚F) Densidade 2,602 2,600 2,577 2,593 2,558 (g/cc) Módulo 93,5 93,1 92,2 92,8 91,3

Elástico (GPa) Módulo Específico 35,9 35,8 35,8 35,8 35,7 (MJ/kg) Resistência 4818 4984 5056 5058 ---- (MPa)

Tabela 4

Exemplo 17 Exemplo 18 Exemplo 19 Exemplo 20 Exemplo 21 Componente (% em (% em (% em (% em (% em peso) peso) peso) peso) peso) SiO2 50,89 61,00 61,00 60,0 61,83 Al2O3 22,92 20,5 20,5 20,0 20,06 MgO 12,46 12,0 12,00 12,00 9,92 CaO 4,47 2,50 2,50 2,00 5,29 Li2O 2,20 2,00 2,00 2,00 1,91 Fe2O3 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 K2O 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 5,49 0,00 0,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 1,00 1,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 0,00 0,00 2,00 0,00 0,00 V2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade

Temperatura de fibrização 2193 2375 2380 2371 2443 (˚F) Temperatura 2217 2299 2287 2321 2230 Liquidus (˚F)

ΔT -24 77 94 50 213 (˚F) Densidade 2,744 2,562 2,571 2,596 2,559 (g/cc) Módulo Elástico 98,0 91,3 91,6 92,3 92,3 (GPa) Módulo Específico 35,7 35,6 35,6 35,5 35,5 (MJ/kg) Resistência ----- ----- --- ---- 5016 (MPa) Tabela 5 Exemplo 22 Exemplo 23 Exemplo 24 Exemplo 25 Exemplo 26 Componente (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) (% em peso) SiO2 58,00 61,00 63,50 64,00 60,00 Al2O3 20,00 20,50 20,50 21,00 20,50 MgO 12,00 12,00 11,70 11,70 12,00 CaO 2,00 2,50 4,00 3,00 1,50 Li2O 2,00 2,00 0,00 0,00 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 0,30 0,30 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 4,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00

Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 3,00 0,00 0,00 0,00 3,00 Ga2O3 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 3,00 0,00 2,00 0,00 0,00 V2O5 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2326 2360 2545 2573 2360 (˚F) Temperatura 2248 2311 2454 2490 2289 Liquidus (˚F)

ΔT 79 49 92 84 71 (˚F) Densidade 2,656 2,540 2,536 2,520 2,597 (g/cc) Módulo Elástico 94,3 90,2 89,7 89,1 91,8 (GPa) Módulo Específico 35,5 35,5 35,4 35,4 35,4 (MJ/kg) Resistência 4919 ----- --- ---- 4953 (MPa) Tabela 6 Exemplo 27 Exemplo 28 Exemplo 29 Exemplo 30 Exemplo 31 Componente (% em (% em (% em (% em (% em peso) peso) peso) peso) peso) SiO2 61,00 61,00 58,00 60,50 61,00 Al2O3 20,00 20,00 20,00 20,50 20,00 MgO 11,50 11,50 12,00 12,00 11,50 CaO 2,00 2,00 2,00 1,50 2,00 Li2O 1,50 1,50 2,00 2,00 1,50 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 3,00 0,00 0,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nb2O5 4,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 3,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Ga2O3 0,00 4,00 0,00 0,00 0,00 Ta2O5 3,00 0,00 3,00 0,00 4,00 V2O5 0,00 2,00 0,00 0,00 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2404 2423 2319 2367 2380 (˚F) Temperatura 2264 2376 2256 2310 2374 Liquidus (˚F)

ΔT 41 48 63 57 7 (˚F) Densidade 2,570 2,577 2,651 2,597 2,593 (g/cc) Módulo Elástico 90,9 91,9 93,7 91,7 91,5 (GPa) Módulo Específico 35,4 35,3 35,3 35,3 35,3 (MJ/kg) Resistência ---- ----- 4929 4959 ---- (MPa) Tabela 7 Componente Exemplo 32 Exemplo 33 Exemplo 34 Exemplo 35 Exemplo 36

(% em (% em (% em (% em (% em peso) peso) peso) peso) peso) SiO2 60,26 57,33 61,20 61,20 58,00 Al2O3 19,55 19,61 19,85 19,85 20,00 MgO 9,67 10,94 9,82 9,82 11 CaO 5,15 8,83 5,23 5,23 3,00 Li2O 1,87 2,00 1,89 1,89 2,00 Fe2O3 0,00 0,34 0,00 0,00 0,00 K2O 0,00 0,13 0,00 0,00 0,00 Na2O 0,00 0,12 0,00 0,00 0,00 TiO2 0,00 0,68 2,00 0,00 0,00 CeO2 0,00 0,00 0,00 2,00 0,00 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Y2O3 3,50 0,00 0,00 0,00 3,00 ZrO2 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 Nb2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 La2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 2,00 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 0,00 Propriedade Temperatura de fibrização 2378 2236 2359 2391 2323 (˚F) Temperatura 2191 2190 2330 2242 2222 Liquidus (˚F)

ΔT 188 47 30 149 101 (˚F) Densidade 2,607 2,620 2,565 2,580 2,649 (g/cc) Módulo 92,0 92,4 90,4 90,6 93,0 Elástico

(GPa) Módulo Específico 35,3 35,3 35,2 35,1 35,1 (MJ/kg) Resistência 4927 ----- 4898 5021 ---- (MPa)

Tabela 8

Exemplo Exemplo Exemplo Exemplo Exemplo Exemplo 37 38 39 40 41 Comparativo Componente (% em (% em (% em (% em (% em peso) peso) peso) peso) peso) SiO2 59,95 61,00 55,50 58,08 59,50 60,70 Al2O3 19,45 20,00 21 18,84 20,00 15,80 MgO 9,62 11,50 11,00 9,32 11,00 8,00 CaO 5,13 2,00 3,50 4,97 2,00 13,40 Li2O 1,85 1,50 2,00 1,79 1,50 0,75 Fe2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,27 K2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,10 Na2O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,23 TiO2 4,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,48 Sc2O3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ---- Y2O3 0,00 0,00 4,00 7,00 0,00 ---- 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 3,00 0,00 0,00 ---- Ga2O3 0,00 2,00 0,00 0,00 6,00 ---- Ta2O5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 ---- V2O5 0,00 4,00 0,00 0,00 0,00 ---- Propriedade ---- Temperatura 2350 2392 2277 2338 2403 2324 de fibrização

(˚F) Temperatura 2241 2346 2293 2130 2380 2140 Liquidus (˚F)

ΔT 110 47 -16 208 28 184 (˚F) Densidade 2,581 2,533 2,690 2,673 2,605 2,614 (g/cc) Módulo Elástico 90,6 88,9 94,1 93,5 91,0 87,5 (GPa) Módulo Específico 35,1 35,1 35,0 35,0 35,0 33,5 (MJ/kg) Resistência 4719 ----- --- 4830 4637 (MPa)

[084] As Tabelas 1-8 ilustram a melhoria no módulo específico que as composições de vidro da invenção têm em relação ao vidro comercial de alto desempenho (Exemplo Comparativo). O Exemplo Comparativo demonstra um módulo específico de 33,5 MJ/kg, que está abaixo do módulo específico mínimo visto de qualquer uma das composições da invenção. Instrutivamente, cada uma das composições inventivas demonstra um módulo específico de pelo menos 34 MJ/kg e, mais especificamente, pelo menos 35 MJ/kg.

[085] 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 técnicos especialistas no assunto pode ser selecionada dentro da divulgação genérica. A invenção não está limitada de outra forma, exceto para a recitação das reivindicações apresentadas abaixo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Composição de vidro, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 60,5% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 19,5 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 2,0 a 9,0% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; SrO em uma quantidade de 0,0 a 1,0% 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 0,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 4,0% 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 2,5% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 4,0% em peso, em que a composição de vidro tem uma razão MgO/(CaO + SrO) maior do que 2,1, e uma fibra de vidro formada a partir da referida composição de vidro tem módulo específico entre 34,0 e 40,0 MJ/kg.

2. Composição de vidro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que inclui ainda: 0 a cerca de 5,0 % em peso de Ta2O5; 0 a cerca de 7,0 % em peso de Ga2O3; 0 a cerca de 5,0% em peso de Nb2O5, e 0 a cerca de 5,0% em peso de V2O5.

3. Composição de vidro, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição inclui 1,0 a 3,5% em peso de Y2O3.

4. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que as quantidades combinadas de MgO e CaO estão entre 12,0 e 20% em peso.

5. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição compreende 18,3 a 22,0% em peso de Al2O3.

6. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição é essencialmente livre de um ou mais de B2O3, F, K2O e Na2O.

7. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição compreende 0,1 a 3,5% em peso de Li2O.

8. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição compreende menos de 0,05% em peso de Sm2O3 + Gd2O3.

9. Composição de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição inclui pelo menos 1% em peso de uma quantidade combinada 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 inferior a 1.454,4°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 55,0 a 60,5% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 19,5 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 2,0 a 5,5% 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 maior que 1,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 4,0% 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 2,5% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 4,0% em peso, em que a fibra de vidro tem módulo específico entre 34,0 e 40,0 MJ/kg e uma resistência à tração de acordo com ASTM D2343-09 de pelo menos 4400 MPa.

12. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro compreende 1,0 a 5,0% em peso de CaO.

13. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição é essencialmente livre de um ou mais de B2O3, F, K2O e Na2O.

14. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida composição compreende 1,5 a 3,5% em peso de Li2O.

15. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição inclui pelo menos 1% em peso de uma quantidade combinada de Y2O3, La2O3, Ce2O3 e Sc2O3.

16. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição inclui mais do que 2,0% em peso de CeO2 + Sc2O3.

17. Fibra de vidro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, CARACTERIZADA pelo fato de que a referida fibra de vidro tem um módulo específico de 35 a 36,5 MJ/kg.

18. Método para formar uma fibra de vidro contínua CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: fornecer uma composição fundida como definida na reivindicação 1; e extrair a referida 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 de polímero; e uma pluralidade de fibras de vidro formada a partir de uma composição de vidro que compreende: SiO2 em uma quantidade de 50,0 a 60,5% em peso; Al2O3 em uma quantidade de 19,5 a 23,0% em peso; CaO em uma quantidade de 2,0 a 9,0% em peso; MgO em uma quantidade de 9,0 a 14,0% em peso; SrO em uma quantidade de 0,0 a 1,0% 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 0,0 a 4,0% em peso; TiO2 em uma quantidade de 0,0 a 4,0% 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 2,5% em peso; e Sc2O3 em uma quantidade de 0 a 4,0% em peso, em que a composição de vidro tem uma razão MgO/(CaO + SrO) maior que 2,1, e as fibras de vidro têm módulo específico entre 34,0 e 40,0 MJ/kg.

20. Produto compósito reforçado, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o referido produto compósito reforçado tem a forma de uma pá de turbina eólica.