BRPI0518202B1

BRPI0518202B1 - fibras refratárias de silicato de metal alcalino terroso

Info

Publication number: BRPI0518202B1
Application number: BRPI0518202A
Authority: BR
Inventors: John Freeman Craig; Anthony Jubb Gary
Original assignee: The Morgan Crucible Company Plc
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2017-05-30
Also published as: CA2585726C; ES2306230T3; EP1725503B1; KR20070085617A; EP1725503A1; DE602005007864D1; KR100906765B1; JP2008518119A; ATE399742T1; WO2006048610A1; PL1725503T3; EP1939148A1; MX2007005117A; CA2585726A1; AU2005300386A1; JP5208508B2; AU2005300386B2; BRPI0518202A

Abstract

modificação de fibras de silicato de terra alcalina. um método para fabricação de fibras de silicato de terra alcalina refratárias de uma fusão, compreende o uso como um componente pretendido de metal alcalino para melhorar as propriedades mecânicas da fibra em comparação com uma fibra livre de metal alcalino.

Description

"FIBRAS REFRATÁRIAS DE SILICATO DE METAL ALCALINO TERROSO" [001] Esta invenção refere-se a fibras de silicato de alcalino terroso.

[002] Os materiais fibrosos inorgânicos são bem conhecidos e amplamente empregados para muitos propósitos (por exemplo, como isolamento acústico e térmico em forma de manta, moldura ou carga, como moldes formados a vácuo, como papéis e papelões formados a vácuo, e como cordas, fios ou tecidos; como uma fibra de reforço para materiais de construção; como um componente de blocos de freio para veículos). Na maioria destas aplicações, as propriedades para as guais os materiais fibrosos inorgânicos são empregados exigem resistência ao calor, e freguentemente resistência a ambientes guímicos agressivos.

[003] Os materiais fibrosos inorgânicos podem ser ou vítreos ou cristalinos. O amianto é um material fibroso inorgânico, uma forma do qual tem estado fortemente envolvida em doenças respiratórias.

[004] Ainda não está claro qual é o mecanismo causativo que relaciona alguns amiantos com a doença, porém alguns pesquisadores acreditam que o mecanismo é relacionado com o tamanho e mecânico. Os amiantos de um tamanho critico podem perfurar células no corpo e também, através da lesão da célula repetida e por muito tempo, ter um efeito ruim na saúde. Quer este mecanismo seja verdadeiro ou não, os órgãos fisca-lizadores indicaram um desejo de categorizar qualquer produto de fibra inorgânica que tenha uma fração respiratória co- mo perigosa, independente se há qualquer evidência para apoiar tal categorização. Infelizmente para muitas das aplicações para as quais as fibras inorgânicas são empregadas, não há nenhum substituto realistico.

[005] Consequentemente, há uma procura por fibras inorgânicas que proponham tão pouco risco quanto possível (se algum) e para as quais existam fundamentos objetivos para acreditar que elas sejam seguras.

[006] Uma linha de estudo tem proposto que se as fibras inorgânicas fossem feitas as quais fossem suficientemente solúveis em fluidos fisiológicos, que seu tempo de permanência no corpo humano seria curto; então os danos não ocorreríam ou pelo menos seriam minimizados. Como o risco de doenças ligadas ao amianto parece depender muito da duração da exposição, esta ideia parece razoável. O amianto é extremamente insolúvel.

[007] Como o fluido intercelular é salino em natura, a importância da solubilidade da fibra em solução salina foi reconhecida por muito tempo. Se as fibras forem solúveis em solução salina fisiológica então, contanto que os componentes dissolvidos não sejam tóxicos, as fibras deveríam ser mais seguras do que as fibras que não são tão solúveis. As fibras de silicato de alcalino terroso têm sido propostas para uso como materiais fibrosos refratários, de óxido inorgânico, amorfos, não metálicos solúveis em solução salina. A invenção particularmente refere-se às fibras de silicato de alcalino terroso vítreas que têm silica como seu componente principal.

[008] 0 Pedido de Patente Internacional No. W087/05007 descreveu que as fibras que compreendem maqnésia, silica, óxido de cálcio e menos do que 10% em peso de alumina são solúveis em solução salina. As solubilidades das fibras descritas foram em termos de partes por milhão de silício (extraído do material contendo silica da fibra) presente em uma solução salina depois de 5 horas de exposição. W087/05007 declarou que os materiais puros deveríam ser empregados, e dado um limite superior de 2% em peso em agregado para as impurezas que poderíam estar presentes. Nenhuma menção de metais de álcali foi feita nesta patente.

[009] O Pedido de Patente Internacional No. WO89/12032, descreve fibras adicionais solúveis em solução salina, e descreve alguns dos componentes que pode estar presente em tais fibras. Isto descreveu a adição de Na2Ü em quantidades que variam de 0,28 a 6,84% em peso, mas não deu nenhuma indicação que a presença de Na2Ü teve qualquer efeito.

[0010] O Pedido de Patente Europeu No. 0399320 descreve as fibras vítreas tendo uma solubilidade fisiológica elevada e tendo 10-20% em mol de Na2Ü e 0-5% em mol de K2O. Embora estas fibras fossem mostradas serem fisiologicamente solúveis, sua temperatura máxima de uso não foi indicada.

[0011] Outras especificações de patente que descrevem a seleção de fibras para sua solubilidade salina incluem, por exemplo, Europeu 0412878 e 0459897, Francês 2662687 e 2662688, PCT W086/04807, W090/02713, WO92/09536, W093/22251, W094/15883, W097/16386 e Estados Unidos 5250488.

[Ο 012]A refratariedade das fibras descritas nestes vários documentos da técnica anterior, varia consideravelmente e para estes materiais de silicato de alcalino terroso as propriedades são criticamente dependentes da composição.

[0013] Como uma generalidade, é relativamente fácil produzir fibras de silicato de alcalino terroso que funcionem bem a baixas temperaturas, uma vez que para uso em baixa temperatura alguém pode fornecer aditivos tal como óxido de boro para assegurar boa fibratização e variar as quantidades dos componentes para adequar as propriedades desejadas do material. Entretanto, quando alguém procura elevar a refratariedade das fibras de silicato de alcalino terroso, a pessoa é forçada a reduzir o uso de aditivos uma vez que em geral (embora com exceções) quanto mais componentes estiver presente, mais baixa a refratariedade.

[0014] WO93/15028 descreve fibras que compreendem CaO, MgO, SÍO2, e opcionalmente ZrC>2 como componentes principais. Tais fibras são frequentemente conhecidas como fibras de CMS (silicato de magnésio de cálcio) ou CMZS (silicato de zircônio de magnésio de cálcio). WO93/15028 requereu que as composições empregadas devessem ser essencialmente livres de óxidos de metal alcalino. As quantidades de até 0,65% em peso foram mostradas serem aceitáveis para materiais adequados para uso como isolamento a 1000°C. WO93/15028 também requereu niveis baixos de AI2O3 (<3,97%).

[0015] W094/15883 descreveu várias tais fibras utilizáveis como isolamento refratário a temperaturas de até 126°C ou mais. Como com WO93/15028, esta patente requereu que o teor de óxido de metal alcalino devesse ser mantido baixo, porém indicou que algumas fibras de silicato de alcalino terroso pudessem tolerar níveis mais elevados de óxido de metal alcalino do que outras. Entretanto, os níveis de 0,3% e 0,4% em peso de Na2Ü foram suspeitados de causar encolhimento aumentado em materiais para uso como isolamento a 1260°C. A importância de manter o nível de alumina baixo foi acentuada e é acentuada neste documento.

[0016] W097/16386 descreveu fibras utilizáveis como isolamento refratário a temperaturas de até 1260°C ou mais. Estas fibras compreenderam MgO, S1O2, e opcionalmente ZrÜ2 como componentes principais. Estas fibras são declaradas por requererem substancialmente nenhum óxido de metal alcalino exceto como impurezas traço (presentes a níveis de centésimos de um percentual no máximo calculado como óxido de metal alcalino) . As fibras têm uma composição geral Si02 65-86% MgO 14-35% com os componentes MgO e SÍO2 compreendendo 82,5% em peso da fibra, o equilíbrio sendo designado componentes e modificadores de viscosidade. Tais fibras de silicato de magnésio podem compreender baixas quantidades de outros alcalinos terrosos. A importância de manter o nível de alumina baixo foi acentuada e é acentuada neste documento.

[0017] W02003/059835 descreve certas fibras de silicato de cálcio, certas composições de silicato de cálcio para as quais as fibras mostram uma baixa reatividade com tijolos de aluminossilicato, isto é: - [0018] Esta patente também descreve o uso de La2C>3 ou outros aditivos de lantanideo para melhorar a força das fibras e manta feita das fibras. Este pedido de patente não menciona os níveis de óxido de metal alcalino, porém quantidades na região de ~0,5% em peso foram descritas em fibras pretendidas para uso como isolamento em até 1260°C ou mais.

[0019] W02003/060016 reivindica uma fibra inorgânica resistente à temperatura elevada de baixo encolhimento, que tem uma temperatura de uso até pelo menos 1330 C, que mantém a integridade mecânica depois de exposição à temperatura de uso e que é não durável em fluidos fisiológicos, compreendendo o produto de fibratização de mais do que 71,25 a cerca de 85 por cento em peso de sílica, 0 a cerca de 20 por cento em peso de magnésia, cerca de 5 a cerca de 28, 75 por cento em peso de óxido de cálcio, e 0 a cerca de 5 por cento em peso de bióxido de zircônio, e opcionalmente um modificador de viscosidade em uma quantidade eficaz para tornar o produto fibratizável.

[0020] ΕΡ 1323687 reivindica uma composição de fibra de cerâmica biossolúvel para um material de isolamento de temperatura elevada que compreende 75-80% em peso de S1O2, 13-25% em peso de CaO, 1-8% em peso de MgO, 0,5-3% em peso de ZrC>2 e 0-0,5% em peso de AI2O3, onde (ZrÜ2 + AI2O3) está contido em 0,5-3% em peso e (CaO + MgO) está contido em 15-26% em peso.

[0021] As fibras de silicato de alcalino terroso receberam uma definição no Chemical Abstract Service Registry [Número de Registro: 436083-99-7] de: "Substâncias químicas fabricadas na forma de fibras. Esta categoria abrange substâncias produzidas soprando-se ou girando-se uma mistura fundida de óxidos de alcalino terroso, sílica e outros óxidos menores/traço. Ela derrete em cerca de 1500°C. Consiste predominantemente em sílica (5082% em peso), óxido de cálcio e magnésia (18-43% em peso), alumina, titânia e bióxido de zircônio (< 6% em peso), e óxidos traço".

[0022] Esta definição reflete os regulamentos de Segurança e Saúde Européia que impõem exigências de rotulação especiais em fibras de silicato que contêm menos do que 18% de óxidos de alcalino terroso.

[0023] Entretanto como está claramente indicado em relação a W02003/059835, W02003/060016 e EP 1323687, o teor de silica de fibras de silicato de alcalino terroso está aumentando com a demanda para temperaturas de uso mais elevadas e isto está induzindo a teores mais baixos de alcalino terroso.

[Ο Ο 2 4]A presente invenção é aplicável não somente às fibras de silicato de alcalino terroso nesta definição restrita refletida na definição de Abstratos Químicos, porém também a fibras de silicato de alcalino terroso que têm niveis mais baixos de óxidos de alcalino terroso.

[0025] Consequentemente, no presente relatório descritivo, as fibras de silicato de alcalino terroso deveríam ser consideradas materiais compreendendo predominantemente silica e óxidos de alcalino terroso e compreendendo menos do que 10% em peso de alumina [como indicado em W087/05007 - que introduziu tais fibras primeiro], preferivelmente no qual a quantidade de alumina, bióxido de zircônio e titânia seja menor do que 6% em peso [como indicado na definição de Abstratos Químicos]. Por razões requladoras, os materiais preferidos contêm mais do que 18% de óxidos de metal de alcalino terroso .

[0026] A técnica anterior mostra que para fibras de silicato de alcalino terroso refratárias, os metais alcalinos foram considerados como impurezas que podem ser toleradas a níveis baixos porém que têm efeitos prejudiciais em refratariedade a niveis mais elevados.

[0027] O requerente tem constatado que, contrário ao critério recebido no campo de fibras refratárias de silicato de alcalino terroso, a adição de quantidades menores de metais de álcali em uma certa faixa estreita melhora a qualidade mecânica das fibras produzidas (em particular a resistência da fibra) sem apreciavelmente danificar a refratariedade das fibras.

[0028] Consequentemente, a presente invenção fornece um método para a fabricação de fibras de silicato de alcalino terroso refratárias de uma fusão, compreendendo a inclusão como um componente de fusão pretendido de metal alcalino para melhorar as propriedades mecânicas e/ou térmicas da fibra em comparação com uma fibra livre de metal alcalino.

[0029] Preferivelmente, a quantidade de metal alcalino (M) expressada como o óxido M2O é maior do que 0,2% em mol e preferivelmente na faixa de 0,2% em mol a 2,5% em mol, mais preferivelmente 0,25% em mol a 2% em mol.

[0030] Por "uma fibra livre de metal alcalino" é entendido uma fibra na qual todos os outros componentes estão presentes nas mesmas proporções porém que necessita de metal alcalino .

[0031] O metal alcalino está preferivelmente presente em uma quantidade suficiente para aumentar a força de tração de uma manta feita empreqando a fibra em >50% sobre a força de tração de uma manta livre de metal alcalino, e menos do que uma quantidade que resultará em um encolhimento como medido pelo método descrito abaixo, maior do que 3,5% em uma pré-forma de fundição a vácuo da fibra quando exposta a 1250°C durante 24 horas.

[0032] Será evidente que o metal alcalino pode ser fornecido ou como um aditivo à fusão (preferivelmente na forma de um óxido), ou empreqando-se como inqredientes das quantidades apropriadas de fusão de materiais que contêm metal alcalino como um componente ou impureza, ou iqualmente como um aditivo e como um componente ou impureza. A invenção mente asse- gurando que a fusão tem a quantidade desejada de metal alcalino para obter os efeitos benéficos da invenção.

[0033] A invenção pode ser aplicada a todas as composições de silicato de alcalino terroso da técnica anterior mencionadas acima.

[0034] O escopo e outras características da invenção se tornarão evidentes a partir das reivindicações na luz da seguinte descrição ilustrativa e com referência aos desenhos nos quais: Fig. 1 é um gráfico que mostra a força/densidade de tração plotadas contra as temperaturas de corrente de fusão como determinado em uma experiência de produção para várias fibras de teor de Na2Ü diferentes;

Fig. 2 é um gráfico plotando os valores máximos, médios, e mínimos de força/densidade de tração contra o teor de Na2Ü para as mesmas fibras;

Fig. 3 é um gráfico de curvas de temperatu-ra/viscosidade experimentalmente determinadas para uma faixa de composições;

Fig. 4 é um gráfico que mostra o teor de carga plotado contra o teor de Na2Ü para as fibras da Fig. 1;

Fig. 5 é um gráfico de teor de carga contra teor de Na2Ü para uma faixa diferente de fibras de silicato de alcalino terroso;

Fig. 6 é um gráfico de encolhimentos lineares para fibras de silicato de alcalino terroso de composição variante, comparadas com fibras de fibra de cerâmica refratária conhecidas (RCF);

Fig. 7 é um gráfico do efeito sobre a força da manta de adição de sódio a uma faixa de fibras de silicato de alcalino terroso;

Fig. 8 contrasta os micrógrafos gue mostram várias fibras após a exposição a uma faixa de temperaturas;

Fig. 9 é um gráfico gue compara as condutividades térmicas medidas para uma faixa de fibras.

[0035] Os inventores produziram manta de fibra empregando uma linha de ensaio de produção em sua fábrica em Bromborough, Inglaterra. A fibra foi produzida formando uma fusão e permitindo a fusão incluir-se sobre um par de fiandeiros (como é convencionalmente conhecido).

[0036] A fusão base teve uma composição nominal em percentual em peso: Si02 73,5 CaO 25 La203 1,5 com outros componentes gue formam impurezas menores e óxido de sódio sendo adicionado em guantidades especificadas .

[0037] A temperatura da corrente de fusão foi monitorada empregando um pirômetro de duas cores.

[0038] As fibras produzidas dos fiandeiros foram passadas sobre uma esteira e em seguida costuradas para formar a manta de uma maneira convencional.

[0039] A espessura, densidade, e força de tração da manta foram medidas para as fibras produzidas empregando uma faixa de condições.

[Ο Ο 4 Ο]A manta foi produzida a fim de determinar o efeito sobre a qualidade de fibra de temperatura de corrente de fusão, uma vez que tenha sido acreditado que isto teve um efeito sobre a qualidade da fibra.

[0041] Os inventores também decidiram adicionar óxidos de metal alcalino a fim de nivelar a curva de viscosidade-temperatura da fusão, uma vez que isto foi considerado um fator relevante na produção da fibra como explicado também abaixo.

[0042] Os resultados destes testes são apresentados na Tabela 1 e ilustrados graficamente nas Figs. 1 e 2. Na Tabela 1, a temperatura da corrente de fusão, espessura da manta, densidade da manta, força de tração e força de tração dividida pela densidade são mostradas para todas as composições. [A força de tração dividida pela densidade é calculada para contrapor-se à variação atribuível às quantidades diferentes de material estando na manta]. Além disso, para composições selecionadas o encolhimento de uma pré-forma a 1150°C e 1250°C foi medido da mesma maneira como em W02003/059835.

[0043] A primeira coisa que é notável é que as forças da manta mostram uma variabilidade elevada. Isto é porque a fabricação de uma manta envolve muitas variáveis, incluindo: •Composição da fusão •Temperatura da fusão •Temperatura da corrente de fusão •Teor de carga (fusão que solidificou na forma de go-tículas exceto fibras) •Diâmetro da fibra •Comprimento da fibra •Condições da costura •História térmica pós-solidificação [0044] Produzindo-se uma faixa de fibras em uma única linha e significantemente variando somente a composição e temperatura da corrente de fusão (cada dos quais terá um efeito sobre o teor de carga, diâmetro da fibra e comprimento da fibra) foi esperado reduzir tal variabilidade. Entretanto, porque uma manta é um corpo agregado de fibras individuais, há inevitavelmente uma variação estatística em tais propriedades agregadas como força de tração.

[0045] Como pode ser visto a partir da Fig. 1, parece haver relativamente pouca variação na força com a temperatura de corrente de fusão, porém uma vez que a faixa de temperaturas de corrente de fusão escolhida foi selecionada para abranger as faixas previamente constatadas serem eficazes, isto não é surpreendente.

[0046] Entretanto, pode ser visto que com aumentos progressivos no teor de Na2Ü, a força tende a aumentar. A Fig. 2 mostra as forças máximas, mínimas, e médias constatadas para uma faixa de composições e pode ser visto que a força da manta mostra uma forte correlação positiva com o teor de Na2Ü. Em contraste, o encolhimento das fibras pareceu pouco afetado.

[0047] As fibras com teor de Na2Ü zero nominal de fato tiveram quantidades traço menores (teor médio medido 0,038% -máximo 0,11%). A curva de extrapolação para Na2Ü zero determina uma força/ densidade de tração média de 0,0675 kPa/[kg/m3] . A força/densidade de tração média para a adição de 0,3% de NazO é 0,1426, O aumento na força da manta é maior do que 100% e adições menores (por exemplo, 0,25% em mol) seriam esperadas exceder uma melhora de 50%.

[0048]Estimulados por isto, e a fim de determinar o limite superior de óxido de metal alcalino que era apropriado, os inventores produziram uma faixa de outras fibras de silicato de alcalino terroso que usam um equipamento experimental no qual uma fusão foi formada de composição apropriada, puncio-nada através de um orifício de 8-16 mm, e soprada para produzir a fibra de uma maneira conhecida. (0 tamanho do buraco da torneira foi variado para satisfazer a viscosidade da fundição - este é um ajuste que deve ser determinado experimentalmente de acordo com o aparato· e composição empregados) . O encolhimento das pré-formas da fibra a 1150°C e 1250°C foram medidos da mesma maneira como em W02003/059835. A solubilidade total em ppm dos componentes de vidro princi- pais após um teste estático de 24 horas em uma solução salina fisiológica foi também medida para alguns dos exemplos, [0049] Os resultados destes estudos são mostrados na Tabela 2. As fibras na esquerda da tabela foram apontadas para avaliar o efeito das quantidades aproximadamente equímolares de adição de adição de metal alcalino a fibra de silicato de cálcio que contém LasGa {como em WO2003/059835) , ao mesmo tempo em que aquelas na direita foram apontadas para avaliar o efeito da variação da quantidade de NazO em uma tal fibra. Ao mesmo tempo em que não conclusivo, os resultados indicam que para estas fibras Na?0 e K?0 mostram encolhimentos nâo piores ou até melhores do que a fibra livre de NazO, ao mesmo tempo em que LízO parece prejudicial ao encolhimento, [0050] Entretanto, esta conclusão posterior é considerada insegura uma vez que foi determinado que o lítio foi adicionado na forma de tetraborato de lítio, e a adição de boro pode ter tido um efeito significante. Até provado contrário, os requerentes estão assumindo que todos os metais alcalinos podem ser empregados na invenção, porém que a quantidade absoluta de metal alcalino pode variar de metal para metal e de fibra para fibra. As figuras de solubi1 idade mostram que a solubilidade total é aumentada ligeiramente pela adição de óxido de metal alcalino.

Tabela 2 [0051]O lado direito da Tabela 2 mostra primeiramente que somente um teor de sílica mais elevado de ~1% tem um grande efeito no encolhimento, determinando um encolhimento muito menor. Para estas fibras, o encolhimento linear a 85G°C/24horas pareceu não afetado por todas as adições de soda testadas, entretanto o mesmo não é verdade para o encolhimento de espessura, embora ainda seja baixo. A 1150r,C/24 horas há um aumento leve em ambos encolhimento linear e encolhimento da espessura continua, porém a 1250°C/24 horas a espessura contínua ao mesmo tempo em que ainda aceitável, cresce mais significativamente pela adição de soda mais elevada. Todas estas figuras são aceitáveis para a adição de soda mais elevada. Todas essas figuras são aceitáveis para algumas aplicações ao mesmo tempo em que outras aplicações não puderam tolerar o nível de Na;;0 mais elevado testado.

[0052]A melhora no encolhimento com níveis de silica mais elevados induz os inventores a olhar para os materiais que ainda contêm níveis de sílica mais elevados e os resultados são apresentados na Tabela 3 abaixo.

Tabela 3 [0053] Estes resultados mostram baixo encolhimento e uma so~ lubilidade razoavelmente elevada pela faixa. Parece que a adição de óxido de metal alcalino pode aumentar a quantidade de silica que pode ser adicionada para produzir uma fibra de silicato de alcalino terroso trabalhável, e talvez com uma solubilidade aceitável. Isto é de grande significação uma vez que, em geral, o teor de silica crescente permite temperaturas de uso mais elevadas para fibras de silicato de alcalino terroso.

[0054] A Fig. 6 mostra o encolhimento a várias temperaturas das pré-formas de uma faixa de fibras de silicato de alcalino terroso. A referência SW613 refere-se aos materiais contendo lantânio de composição similar àquelas apresentadas na Tabela 3 com teores de silica variantes como indicado, mas ausente qualquer adição de metal alcalino. [Silica e óxido de cálcio que compreendem a maioria do material com óxido de lantânio que está presente em cerca de 1,3%]. Uma destas fibras também tem uma adição de 2% em peso de MgO. Também mos- trados, são os encolhimentos para uma fibra de aluminossili-cato convencional (RCF) e uma fibra de silicato de magnésio (Silicato de MgO).

[0055] Pode ser observado gue todas as fibras SW613 têm um encolhimento menor do gue aquele de RCF e das fibras de silicato de MgO até 1350°C porém aumentam depois disso. Entretanto, há um aumento progressivo na refratariedade com teor de sílica crescente. Para a fibra SW613 que contém 77 e 79% SÍO2, o encolhimento permanece abaixo daquele de RCF e das fibras de silicato de MgO até 1400°C, e melhor pode ser esperado para teores de sílica mais elevados. Em contraste, também pode ser visto que a adição de 2% de MgO às composições SW613 é prejudicial ao encolhimento. As fibras de silicato de alcalino terroso de sílica elevada são difíceis de fabricar e a adição de metais alcalinos a tais composições deveria melhorar a qualidade de tais fibras e facilitar a fabricação.

[0056] Tendo mostrado tais efeitos os requerentes conduziram uma experiência para fabricar a manta em uma linha de produção, para ver se os resultados iniciais em encolhimento foram confirmados. Uma composição base que compreende: - S1O2 72,5 - 74% em peso CaO 24 - 26,5% em peso MgOO,4 - 0,8% em peso AI2O2 <0,3% em peso La203 1,2 - 1,5% em peso foi empregada e quantidades variantes de Na2Ü foram adicionadas. A manta que tem uma densidade de 128kg/m3 foi produzida tendo uma espessura de ~25mm. Os resultados, resumidos na Fig. 7, mostram um aumento dramático na força da manta com adição de Na;-0.

[0057] Estas descobertas se referem às composições que contêm LazOs como um componente, porém efeitos similares de adições de metal alcalino são descobertos com fibras de silicato de alcalino terroso que não contêm Lâ;>0,i como· um componente.

[0058] Os inventores também testaram outras fibras de silicato de alcalino terroso que compreendem, magnésio predominantemente como o componente de alcalino terroso [fibras de silicato de magnésio) e os resultados sâo apresentados na Tabela 4 , [0059] Esta tabela mostra que ao mesmo tempo em que NaíO e K2O têm um efeito prejudicial respectivamente pequeno ou grande sobre o encolhimento, Li^O quase não tem qualquer efeito sobre o encolhimento. Isto não indica nenhum efeito de modo algum, os inventores observaram que ao mesmo tempo em que as fibras cora NasO e K2O foram similares às fibras sem tais aditivos (não refinadas), a fibra com adição de LiaO foi significantemente mais fina e de melhor qualidade. Em quantidades menores, Ha;:Ü e KjO podem determinar ainda encolhimentos que são toleráveis na maioria das aplicações.

Tabela 4 [0060]O propósito de adicionar metal alcalino é para tentar alterar a curva da temperatura da viscosidade para silicatos de alcalino terroso para fornecer uma faixa de funcionamento mais útil para os silicatos. A Fig, 3 mostra um gráfico experimental das curvas de viscosidade/temperatura para: •um vidro de soda elevado que tem a composição aproximada em % em peso: -SÍ02 68 Hâj?0 13,4 CaO 7,94 B2G3 4,74 MgO 2,8 AI2O3 2,66 Fe2Oj 1,17 Ti02 0,09 Zr02 0,08 Cr203 0,06 •uma fusão de silicato de alcalino terroso compreendendo a composição aproximada: Ca029 Mg06% Si02 64,5 + outros a 100% •e a mesma fusão de silicato de alcalino terroso compreendendo respectivamente 1% em peso de Na20 e 2% em peso de Na20 como um aditivo.

[0061] O gráfico de viscosidade/temperatura do vidro de soda elevado é uma linha plana aumentando guando a temperatura cai.

[0062] Para a fusão de silicato de alcalino terroso conhecida (SW) a viscosidade é menor e em seguida aumenta abruptamente a um valor de temperatura crítico (isto é mostrado como um declive no gráfico, a não ser gue seja um artefato do processo de grafitação - realmente representa uma alteração muito mais íngreme).

[0063] A adição de Na20 à fusão move este aumento na viscosidade para temperaturas mais baixas.

[0064] Isto estende a faixa de funcionamento da fusão de forma gue ela se torne menos dependente da temperatura então aumentando a tolerância da fusão às condições de formação da fibra. Embora a temperatura da corrente de fusão seja importante, a fusão esfria rapidamente durante o processo de for- mação da fibra e então uma faixa mais longa de funcionalidade para a composição melhora a formação da fibra. A adição dos óxidos de metal alcalino também pode servir para estabilizar a corrente de fusão de forma que para um determinado grupo de condições haja uma quantidade que reduza a carga.

[0065] Adicionalmente, é imaginado que em quantidades pequenas os óxidos de metal alcalino sirvam para suprimir a separação de fase em fibras de silicato de alcalino terroso.

[0066] Uma vez que os sistemas de silicato de alcalino terroso têm uma região de dois líquidos em seus diagramas de fase, os requerentes suspeitam que a adição de óxidos de metal alcalino pode mover as fusões para fora de uma região de dois líquidos em uma região de fase única.

[0067] A adição também tem o efeito de reduzir a temperatura da corrente de fusão que pode ajudar na estabilidade.

[0068] A eficácia destas medidas também é mostrada pela quantidade de carga presente no material acabado. No processo de formação de fibra, as gotículas da fusão são rapidamente aceleradas (sendo arremessadas para fora de uma roda de fiar ou sendo jateadas por um jato de gás) e formam fios longos que se tornam as fibras.

[0069] Entretanto aquela parte das gotículas que não forma as fibras permanece no material acabado na forma de partículas conhecidas na indústria como "carga". A carga é geralmente prejudicial às propriedades térmicas de isolamento formadas das fibras, e assim é um objetivo geral na indústria reduzir a quantidade de carga.

[0070] Os requerentes constataram que a adiçao de quantidades menores de metal alcalino à fusão tem o efeito de reduzir a quantidade de carga, e isto é mostrado· na Fig. 4 para os materiais que contêm lantânio da Tabela 1, onde pode ser visto que o teor de carga foi reduzido de -51% para -48%, [0071] Efeitos similares aplicam-se aos materiais livres de lantânio. A Tabela 5 mostra as composições analisadas de uma faixa de fibras de silicato de alcalino terroso {tendo uma temperatura de uso máxima mais baixa) feitas de acordo com as composições de W093/15028, que foram feitas fiando-se empregando uma temperatura de corrente de fusão de 1380-1420°C, e com um par de fiandeiros giratórios.

[0072] A figura 5 mostra os teores de carga experimentalmente determinados com barras de erro indicando um desvio padrão aproximadamente médio. Pode ser observado que na faixa de 0,35 a 1,5% em peso de Na;-0, haja uma melhora estatística no teor de carga como um resultado da adição. Em particular, uma redução de 3% na carga para um teor da soda de 0,35% em peso é significante.

[0073] Uma vez que não aparece nenhum efeito prejudicial no encolhimento em tais níveis (e realmente uma leve melhora) pode ser observado que adição de óxidos de metal alcalino é benéfica para a produção de tais materiais. ΤλΡ,οΙλ 5 [0074] A adição do metal alcalino deve ser em níveis que não excessivamente prejudicialmente afetem outras propriedades da fibra (por exemplo, encolhimento), porém para aplicações diferentes o que é "excessivo" variará.

[0075] As fibras podem ser empregadas em isolamento térmico e podem formar ou um componente da isolação (por exemplo, com outras fibras e/ou cargas e/ou aglutinantes) ou podem formar a totalidade do isolamento. As fibras podem ser formadas em isolamento em forma de manta.

[0076] Embora o trabalho inicial esteja principalmente relacionado com a adição de Na2Ü às fibras de silicato de alcalino terroso, os reguerentes descobriram que quando Na2Ü foi empregado como o aditivo para fibras de cálcio elevado- magnésio baixo, houve uma tendência de promover cristalização (e, portanto a pulverização das fibras) após exposição a temperaturas de ~1000°C. Isto pode ser observado na Fig. 8 na qual as fibras a)-e) tiveram as composições de base incluindo-se na região: SÍO2 72 - 75% em peso CaO 22 - 26.5% em peso MgO 0,4 - 1% em peso AI2O2 < 0,3% em peso La203 1,2 - 1,5% em peso [0077] As fibras a), b) e c) mostram o efeito sobre a aparência da superfície das fibras após de exposição a 1050°C durante 24 horas nas fibras contendo quantidades crescentes de Na2Ü (de ~0 até 0,5% em peso a 1,06% em peso respectivamente) . Como pode ser observado, a fibra ausente de Na2Ü tem uma aparência lisa indicando pouca cristalização, ao mesmo tempo em que o Na2Ü crescente induz a aumento em aspereza da superfície indicativo de cristalização.

[0078] Em contraste, as fibras d) e e) mostram que a 1100°C uma fibra que contém ~0,5% em peso de K2O é pouco diferente de uma fibra livre de K2O, e somente começa a mostrar leve aspereza da superfície a 1150°C.

[0079]A tabela 6 mostra condutividades térmicas relativas das mantas tendo densidade aproximada de 96kg.m 3 formada de fibras tendo os ingredientes principais mostrados, Ela também mostra as condutividades térmicas destas mantas, e estas figuras são mostradas na Fig. 9. Pode ser visto que a adição de NaaO e K2O parece resultar em condutividade térmica mais baixa das mantas, desse modo mostrando capacidade de isolamento melhorada. ________________________ Tabela 6______________________________ [0080] Os requerentes têm identificado, portanto, outras vantagens do uso de óxidos de metal alcalino como aditivos para materiais de manta de silicato de alcalino terroso, e vantagem particular para o uso de potássio. Em particular, para evitar a promoção de cristalização por sódio, preferivelmente pelo menos 75% em mol do metal alcalino é potássio. Mais preferivelmente pelo menos 90%, ainda mais preferivelmente pelo menos 95% e ainda mais preferivelmente pelo menos 99% do metal alcalino é potássio.

[0081] Para testar a interação mútua de LazCt e K2O nas propriedades da fibra uma faixa de fibras foi feita em mantas e testadas quanto ao encolhimento em várias temperaturas [24 horas na temperatura].

[0082] Foi constatado que LaíCb pode ser reduzido e substituído por K2O sem dano significante para as propriedades de encolhimento dos materiais, porém isto induziu ao inicio da cristalização em temperaturas mais baixas do que para os materiais contendo LaaCb. Entretanto, a substituição de LasGa em parte por alumina curou este problema. A Tabela 7 indica uma faixa de materiais testados, a temperatura na qual a cristalização começou, e temperatura na qual os cristais alcançaram "ljlm em tamanho. Os materiais todos tiveram uma composição de base da de aproximadamente 73,1-74,4% em peso de SíO;> e 24,6 - 25,3% em peso de CaO com todos os outros ingredientes somando menos do que 3% no total.

[0083]Consequentemente, uma faixa preferida de composições compreende: 72%< Si02< 79% MgO< 10% 13,8%< CaO < 27,8% Al203< 2% Zr02< 3% BíOk 5% ?20's< 5% 95%< Si02 + CaO + MgO + AI2O3 + Zr02 + B2O3 + P2O5 MíO> 0,2% e < 1,5% no qual M é metal alcalino do qual pelo menos 90% em mol é potássio.

[0084] Mais preferivelmente SÍO2 mais CaO > 95%, e utilmente uma faixa preferida das composições compreende: 72% < S1O2 < 79% MgO < 2,5% 24% < CaO < 26% 0,5% < AI2O3 < 1,5% Zr02 < 1% B2O3 < 1% P2O5 < 1% M20 > 0,2% e < 1,5% no qual M é metal alcalino do qual pelo menor 90% em mol é potássio.

[0085] Uma faixa particularmente preferida é Si02 74 ± 2% MgO < 1% CaO 25 ± 2% K20 1 ± 0,5% AI2O3 < 1,5% 98% < S1O2 + CaO + MgO + AI2O3 + K20 [0086] E estas faixas preferidas podem adicionalmente compreender R2O3 < 0,5% em peso onde R é selecionado do grupo Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y ou misturas destes.

[0087] Durante outras experiências uma segunda faixa de fibras foi encontrada a qual determinou bons resultados. Essas fibras tiveram a composição: Si02 = 67,8-70% CaO = 27,2-29% MgO = 1-1,8% AI2O3 = < 0,25% La203 = 0,81-1,08% K20 = 0,47-0,63% [0088] Estas fibras tiveram uma força elevada (80 - 105kPa para uma manta de espessura de ~25mm e densidade de ~128kg.m3) e teor de carga baixo (~41% de carga total).

[0089] As fibras podem também ser empregada em outras aplicações, onde as fibras de silicato de alcalino terroso são atualmente empregadas (por exemplo, como componentes de materiais de atritos).

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Fib

2. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS por terem a composição, em porcentagem em peso : 65% < S1O2 < 86% MgO < 10% 13,5% < CaO < 27,5% AI2O3 < 2% ZrÜ2 < 3% B2O3 < 5% P2O5 < 5% 72% < S1O2 + Zr02 + B2O3 + 5*P205 95% < S1O2 + CaO + MgO + AI2O3 + ZrÜ2 + B2O3 + P2O5 Μ20 > 0,5%.

3. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de que Si02 > 72% em peso.

4. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de que: 0,5% em peso < M20 < 1,5% em peso.

5. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS por terem a composição, em porcentagem em peso : 75% < Si02 < 86% MgO < 10% 13,8% < CaO < 27,8% A1203 < 2% Zr02 < 3% B203 < 5% P205 < 5% 75% < Si02 + Zr02 + B203 + 5*P205 95% < Si02 + CaO + MgO + A1203 + Zr02 + B203 + P2Os M20 > 0,2%.

6. Fibras, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADAS pelo fato de que: 0,2% em peso < M20 < 1,5% em peso.

7. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADAS pelo fato de que: 97,5% em peso < Si02 + CaO + MgO + A1203 + Zr02 + B203 + P2Ü5 + M20.

8. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADAS por compreenderem adicionalmente: 0,1% em peso < R2O3 < 4% em peso, em que R é selecionado do grupo Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y ou misturas destes .

9. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADAS pelo fato de que pelo menos 90% em mol do metal alcalino é potássio.

10. Fibras, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADAS pelo fato de que pelo menos 95% em mol do metal alcalino é potássio.

11. Fibras, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADAS pelo fato de que pelo menos 99% em mol do metal alcalino é potássio.

12. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADAS pelo fato de que M2O está presente em uma quantidade menor do que 2,5% em mol.

13. Fibras, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADAS pelo fato de que M2O está presente em uma quantidade menor do que 2% em mol.

14. Fibras, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADAS pelo fato de que M2O está presente em uma quantidade menor do que 1,5% em mol.

15. Fibras, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADAS pelo fato de que M2O está presente em uma quantidade menor do que 1% em mol.

16. Fibras, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADAS pelo fato de que M2O está presente em uma quantidade menor do que 0,75% em mol.

17. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, CARACTERIZADAS pelo fato de que o metal alcali- no está presente em uma quantidade maior do que ou iqual a 0,3% em mol.

18. Fibras, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADAS pelo fato de que o metal alcalino está presente em uma quantidade maior do que ou igual a 0,4% em mol.

19. Fibras, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADAS pelo fato de que o metal alcalino está presente em uma quantidade maior do que ou igual a 0,5% em mol.

20. Fibras, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADAS pelo fato de que o metal alcalino está presente em uma quantidade maior do que ou igual a 0,6% em mol.

21. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, CARACTERIZADAS pelo fato de que a quantidade de MgO é menor do que 2% em peso.

22. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS por terem a composição, em porcentagem em peso : 72% < Si02 < 79% MgO < 10% 13,8% < CaO < 27,8% A1203 < 2% Zr02 < 3% B2O3 < 5% P2O5 < 5% 95% < S1O2 + CaO + MgO + AI2O3 + Zr02 + B2O3 + P2O5 M20 > 0,2% e < 1,5%, em que M é metal alcalino, do qual pelo menos 90% em mol é potássio.

23. Fibras, de acordo com a reivindicação 22, CARACTERIZADAS pelo fato de que S1O2 mais CaO > 95%.

24. Fibras, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADAS por terem a composição, em porcentagem em pe- so : 72% < S1O2 < 75% MgO < 2,5% 24% < CaO < 26% 0,5% < AI2O3 < 1,5% Zr02 < 1% B2O3 < 1% P2O5 < 1% M20 > 0,2% e < 1,5%, em que M é metal alcalino, do qual pelo menos 90% em mol é potássio.

25. Fibras, de acordo com a reivindicação 22 ou 23, CARACTERIZADAS por terem a composição, em porcentagem em peso : S1O2 = 74 ± 2% MgO < 1% CaO = 25 ± 2% K20 = 1 ± 0,5% AI2O3 < 1,5% 98% < S1O2 + CaO + MgO + AI2O3 + K20.

26. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 a 25, CARACTERIZADAS por compreenderem adicionalmen- te R2O3 < 0,5% em peso, em que R é selecionado do grupo Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y ou misturas destes.

27. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS por terem a composição, em porcentagem em peso : S1O2 = 67,8-70% CaO = 27,2-29% MgO = 1-1,8% AI2O3 ^ 0,25% La203 = 0,81-1,08% K20 = 0,47-0,63%.

28. Fibras, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 27, CARACTERIZADAS por estarem na forma de uma manta de fibras.