BRPI0923555B1

BRPI0923555B1 - Composição para fibras de vidro de alta resistência e fibra de vidro de alta resistência

Info

Publication number: BRPI0923555B1
Application number: BRPI0923555-8A
Authority: BR
Inventors: Peter Bernard Mcginnis; Douglas Hofmann
Original assignee: Owens Corning Intellectual Capital, Llc
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2024-04-09

Abstract

COMPOSIÇÃO PARA FIBRAS DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO E FIBRAS FORMADAS COM A MESMA Uma composição para a fabricação de fibras de vidro de alta resistência adequada para a fabricação de um aparelho de fusão de vidro revestido refratário é descrita. A composição e vidro da presente invenção inclui 64-75% em peso de SiO2, 16-24% em peso de Al2O3, 8-11% em peso MgO e 0,25 a 3,0% em peso de R2O onde R2O é a soma de Li2O e Na2O. Uma composição preferida da presente invenção inclui 64-75% em peso de SiO2, 16-24% em peso de Al2O3, 8-11% em peso de MgO e 0,25 a 3,0% em peso de Li2O. Outra composição preferida inclui 6869 por cento em peso de SiO2, 20-22 por cento em peso de Al2O3, 9-10 por cento em peso de MgO e 1-3 por cento em peso de Li2O. Usando-se fornos revestidos refratários com base em óxido, o custo de fibras usando um forno de fusão revestido por platina. Fibras formadas pela presente invenção são da mesma forma descritas. As fibras têm uma temperatura de formação de fibra menor do que 1454 °C (2650 °F), um (delta)T de pelo menos 44,44 °C (80 °F). Além disso, as fibras de vidro têm uma resistência (...).

Description

CAMPO TÉCNICO E APLICABILIDADE INDUSTRIAL DA INVENÇÃO

[001]A presente invenção geralmente é direcionada a uma composição para uso na fabricação de fibras de vidro de alta resistência contínuas e fibras formadas a partir da composição.

ANTECEDENTE DA INVENÇÃO

[002]Uma composição de vidro comum para preparar filamentos de fibra de vidro de alta resistência contínuos é “vidro S”. O termo vidro S define uma família de vidros compostos principalmente dos óxidos de magnésio, alumínio, e silício com uma composição química que produz fibras de vidro tendo uma resistência mecânica mais alta do que as fibras de vidro E. A composição química da família de vidro S produz fibra de vidro de alta resistência e permite estes vidros ser usados em aplicações de alta resistência tal como blindagem balística. ASTM Internacional define vidro S como família de vidros compostos principalmente dos óxidos de magnésio, alumínio, e silício com uma composição química certificada que conforma a uma es-pecificação de material aplicável e que produz resistência mecânica alta (D578-05). The Deutsches Institut für Normung (DIN) define vidro S como um vidro de alumi- nossilicato sem CaO adicionado e tendo uma massa parcial de MgO onde MgO é cerca de 10% em peso (Um vidro de silicato de alumino é definido como um vidro que consiste em grande parte em trióxido de alumínio e dióxido de silício e outros óxidos) (DIN 1259-1).

[003]Vidro R é outra família de alta resistência, vidros de módulo alto que são tipicamente formados em fibras para uso em aplicações compostas aeroespaciais. A família de vidro R é principalmente composta de óxido de silício, óxido de alumínio, óxido de magnésio, e óxido de cálcio com uma composição química que produz fibras de vidro com uma resistência mecânica mais alta do que as fibras de vidro S. Vidro R geralmente contém menos sílica e mais óxido de cálcio (CaO) do que vidro S que requer temperaturas de processamento e fusão mais altas durante a formação da fibra.

[004]As Tabelas IA - IE descrevem as composições para várias composições de vidro de alta resistência convencionais. TABELA I-A TABELA I-B TABELA I-C TABELA I-D TABELA I- E

[005]Vidro R e vidro S típicos são geralmente produzidos fundindo-se os componentes das composições em recipiente de fusão revestido por platina. Os cus- tos de formar fibras de Vidro R e vidro S são dramaticamente mais altos do que as fibras de vidro E devido ao custo de produção das fibras em tais aparelhos de fusão. Desse modo, há uma necessidade na técnica quanto a métodos de formar as composições de vidro úteis na formação de fibras de vidro de alto desempenho de um processo de fusão direcionado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006]A presente invenção é uma composição de vidro para a formação de fibras de vidro contínuas adequadas para uso em aplicações de alta resistência. A composição pode ser barata formada em fibras de vidro usando fusão direta de baixo custo em fornos refratários-revestidos devido à temperatura de formação de fibra relativamente baixa da composição. Uma vez formada em fibras, a composição de vidro fornece as características de resistência de vidro S. Uma composição da presente invenção inclui 64-75% em peso de SiO2, 16-24% em peso de Al2O3, 8-11% em peso de MgO e 0,25 a 3,0% em peso de R2O onde R2O é a soma de Li2O e Na2O. A composição da presente invenção inclui 64-75% em peso de SiO2, 16-24% em peso de Al2O3, 8-11% em peso de MgO e 0,25 a 3,0% em peso de Li2O. Em uma modalidade preferida, a composição de vidro é composta de 64-70% em peso de SiO2, 17-22% em peso de Al2O3, 9-11% em peso de MgO e 1,75-3,0% em peso de R2O onde R2O é a soma de Li2O e Na2O. Em outra modalidade preferida, a composição de vidro é composta de 64-70% em peso de SiO2, 17-22% em peso de Al2O3, 9-1 1% em peso de MgO e 1,75-3,0% em peso de Li2O. A composição preferivelmente não contém mais do que cerca de 5,0% em peso de óxidos ou compostos selecionados a partir do grupo consistindo em CaO, P2O5, ZnO, ZrO2, SrO, BaO, SO3, F2, B2O3, TiO2 e Fe2O3.

[007]As propriedades desejadas das fibras compostas de alto desempenho fabricadas pela presente invenção incluem uma temperatura de formação de fibra menor do que cerca de 1454,4 °C (2650 °F), preferivelmente menor do que cerca de 1440,5 °C (2625 °F), mais preferivelmente menor do que cerca de 1426,7 °C (2600 °F) e preferivelmente menor do que cerca de 1412,8 °C (2575 °F) e uma temperatura liquidus que está preferivelmente abaixo da temperatura de formação de fibra em pelo menos 26,7 °C (80 °F), mais preferivelmente em pelo menos cerca de 48,9 °C (120 °F), e preferivelmente em pelo menos cerca de 65,6 °C (150 °F). A presente invenção da mesma forma inclui fibras formadas de uma tal composição.

DESCRIÇÃO DETALHADA E MODALIDADES PREFERIDAS DA INVENÇÃO

[008]As propriedades de formação de fibra da composição de batelada de vidro da presente invenção incluem a temperatura de formação de fibra, liquidus, e delta-T (ΔT). A temperatura de formação de fibra é definida como a temperatura que corresponde a uma viscosidade de 1000 Poise. Como discutido em mais detalhes abaixo, uma temperatura de formação de fibra diminuída reduz o custo de produção das fibras, permite uma vida de bucha mais longa, aumenta processamento, permite o vidro ser fundido em um aparelho de fusão refratário-revestido, e reduz consumo de energia. Por exemplo, em uma temperatura de formação de fibra mais baixa, uma bucha opera em uma temperatura mais fresca e não “cede” tão rapidamente. Ceder é um fenômeno que ocorre em buchas que são mantidas em uma temperatura elevada durante períodos prolongados de tempo. Diminuindo-se a temperatura de formação de fibra, a taxa de diminuição da bucha pode ser reduzida e a vida da bucha pode ser aumentada. Além disso, uma temperatura de formação de fibra mais baixa permite um processamento mais alto, visto que mais vidro pode ser fundido em um determinado período em um determinado consumo de energia. Como um resultado, custo de produção é reduzido. Além disso, uma temperatura de formação de fibra mais baixa da mesma forma permitirá vidro formado com a composição inventiva ser fundido em um aparelho de fusão refratário-revestido visto que ambas as suas temperaturas de formação de fibra e fusão estão abaixo das temperaturas de uso supe- riores de muitos refratários comercialmente disponíveis.

[009]O liquidus de um vidro é definido como a temperatura mais alta em que equilíbrio existe entre vidro líquido e sua fase cristalina primária. Em todas as temperaturas acima do liquidus, o vidro está livre de cristais em sua fase primária. Em temperaturas abaixo do liquidus, cristais podem formar. Cristais na fusão causarão bloqueios na bucha e fraqueza nas fibras.

[0010]Outra propriedade de formação de fibra é delta-T (ΔT), que é definida como a diferença entre a temperatura de formação de fibra e o liquidus. Um ΔT maior oferece um grau maior de flexibilidade durante a formação das fibras de vidro e ajuda a inibir desvitrificação do vidro (isto é, a formação de cristais dentro da fusão) durante a fusão e formação de fibra. Aumentando o ΔT da mesma forma reduz o custo de produção das fibras de vidro permitindo-se uma maior vida da bucha e fornecendo-se uma janela de processo mais ampla para formar fibras.

[0011]Os vidros da presente invenção são adequados para fundir em aparelhos de fusão de vidro refratários-revestidos comercialmente disponíveis tradicionais que são amplamente usados na fabricação de fibras de reforço de vidro. Componentes de batelada de partida tipicamente incluem SiO2 (areia de sílica moída), e AI2O3 (alumina calcinada) ou pirofilito, bem como modificadores de cadeia de materiais de fonte tal como talco, magnesita ou dolomita. O carbono incluído em materiais tal como magnesita é gaseificado como óxidos de carbono tal como CO2.

[0012]Uma fibra formada de acordo com a presente invenção preferivelmente incluirá 64 - 75% em peso de SiO2, 16-24% em peso de AI2O3, 8-11% em peso de MgO e 0,25 a 3,0% em peso de R2O onde R2O é a soma de Li2O e Na2O. Mais preferivelmente, a composição incluirá 0,25 a 3,0% em peso de Li2O em vez de uma combinação De Li2O e Na2O. Em outra modalidade preferida, a composição de vidro é composta de 64-70% em peso de SiO2, 17-22% em peso de Al2O3, 9-11% em peso de MgO e 1,75 a 3,0% em peso de R2O onde R2O é a soma de Li2O e Na2O. Mais preferivelmente, a composição incluirá 1,75 a 3,0% em peso de Li2O. Uma fibra formada de acordo com a presente invenção tipicamente incluirá quantidades pequenas de CaO, P2O5, ZnO, ZrO2, SrO, BaO, SO3, F2, B2O3, TiO2 e Fe2O3, preferivelmente em uma quantidade total de menos do que 5 por cento em peso, e mais preferivelmente menor do que cerca de 4 por cento em peso. Além disso, uma fibra formada de acordo com o método e composição da presente invenção terá uma temperatura de formação de fibra menor do que 1454,4 °C (2650 °F), preferivelmente menor do que cerca de 1440,5 °C (2625 °F), mais preferivelmente menor do que cerca de 1426,7 °C (2600 °F) e preferivelmente menor do que cerca de 1412,8 °C (2575 °F) e uma temperatura liquidus que está preferivelmente abaixo da temperatura de formação de fibra em pelo menos 26,7 °C (80 °F), mais preferivelmente em pelo menos cerca de 48,9 °C (120 °F), e preferivelmente em pelo menos cerca de 65,6 °C (150 °F). Além disso, o vidro da presente invenção terá uma força de fibra primitiva preferivelmente em excesso de 4688,4 MPa (680 KPsi), mais preferivelmente uma resistência em excesso de cerca de 4826,3 MPa (700 KPsi), e preferivelmente uma resistência em excesso de cerca de 5033,2 MPa (730 KPsi). Além disso, as fibras de vidro desejavelmente terão um módulo maior do que 82737,1 MPa (12,0 MPsi), preferivelmente maior do que cerca de 83978,1 MPa (12,18 MPsi), e preferivelmente maior do que cerca de 86873,9 MPa (12,6 MPsi), em que o referido módulo é o módulo de elasticidade definido como a taxa de variação na tensão em relação à deformação.

[0013]A batelada de vidro da presente invenção é preferivelmente fundida usando o forno de fusão de vidro feito de materiais refratários apropriados tal como alumina, óxido crômico, sílica, alumina-sílica, zircônio, zircônia-alumina-sílica, ou materiais refratários com base em óxido similares. Frequentemente, tais fornos de fusão de vidro incluem um mais bolhas e/ou eletrodos de aumento elétrico (Um forno de fusão de vidro adequado é descrito em Pedido U.S. Número 20070105701 intitu- lado “Method of Manufacturing High Performace Glass Fibers in a Refractory Lined Melter and Fiber Formed Thereby” incorporado aqui por referência). As bolhas e/ou eletrodos de aumento elétrico aumentam a temperatura do vidro de volume e aumentam a circulação de vidro fundida sob o revestidor de batelada.

[0014]O vidro fundido é liberado em uma reunião de bucha de um forehearth. A bucha inclui uma placa de ponta com uma pluralidade de bocais, cada bocal descarrega uma corrente de vidro fundido, que é mecanicamente extraída para formar filamentos contínuos. Tipicamente, os filamentos são revestidos com um dimensionamento protetor, concentrados em um único filamento contínuo e são enrolados em um colete giratório de um dispositivo mais amplo para formar um pacote. Os filamentos podem, da mesma forma, serem processados em outras formas incluindo, sem limitação, fibras de filamento cortadas usadas úmidas, fibras de filamento cortadas usadas secas, esteiras de filamento contínuo, esteiras de filamento cortadas, esteiras formadas úmidas ou esteiras traçadas por ar.

[0015]Tendo geralmente descrito esta invenção, outro entendimento pode ser obtido por referência a certos exemplos específicos ilustrados abaixo que são fornecidos para propósitos de ilustração apenas e não são pretendidos ser todos inclusivos ou limitantes a menos que de outra maneira especificado.

EXEMPLOS

[0016]Os vidros nos exemplos listados nas Tabelas ILA - IID foram fundidos em crisóis de platina ou em um aparelho de fusão revestido por platina contínuo para determinar as propriedades mecânicas e físicas do vidro e fibras produzidas a partir disso. As unidades de medida para as propriedades físicas são: Viscosidade (°F), temperatura liquidus (°F) e ΔT (°F). Em alguns exemplos, os vidros foram formados por fibra e Resistência (KPsi), Densidade (g/cm3), Módulo de elasticidade (MPsi) foram medidos.

[0017]A temperatura de formação de fibra foi medida usando um viscômetro de fuso giratório. A viscosidade de formação de fibra é definida como 1000 Poise. O liquidus foi medido colocando um recipiente de platina carregado com vidro em um forno de gradiente térmico durante 16 horas. A maior temperatura em que cristais estavam presentes foi considerada a temperatura liquidus. O módulo de elasticidade foi medido usando a técnica sônica em uma única fibra de vidro. A resistência à tração foi medida em uma única fibra primitiva. Tabela IIA Tabela II-B Tabela II-C

[0018]A composição da presente invenção pode da mesma forma incluir modificadores de cadeia tais como Na2O, CaO e B2O3. Tais composições são mostradas na Tabela II-D (abaixo). Tabela II-D

[0019]As fibras da presente invenção têm características de módulo de elasticidade e resistência superiores. As fibras do Exemplo 1 têm um Módulo de elasticidade medido de 87632,3 MPa (12,71 MPsi) e uma Resistência Medida de 4743,6 MPa (688 KPsi). As fibras do Exemplo 3 têm um Módulo de elasticidade medido de 89356,1 MPa (12,96 MPsi) e uma Resistência Medida de 5081,4 MPa (737 KPsi). As fibras do Exemplo 17 têm um Módulo de elasticidade medido de 87908,1 MPa (12,75 MPsi) e uma Resistência Medida de 5060,7 MPa (734 KPsi).

[0020]Como é entendido na técnica, as composições inventivas exemplares acima nem sempre somam 100% dos componentes listados devido às convenções estatísticas (tal como, arredondamento e média) e o fato que algumas composições podem incluir impurezas que não são listadas. Claro que, as quantidades atuais de todos os componentes, incluindo qualquer impureza, em uma composição sempre total 100%. Além disso, deveria ser entendido que onde quantidades pequenas de componentes são especificadas nas composições, por exemplo, quantidades na ordem de cerca de 0,05 por cento em peso ou menos, esses componentes podem estar presentes na forma de impurezas de traço presentes nas matérias-primas, em vez de intencionalmente adicionados.

[0021]Adicionalmente, componentes podem ser adicionados à composição de batelada, por exemplo, para facilitar processamento, que são eliminados depois, desse modo formando uma composição de vidro que está essencialmente livre de tais componentes. Desse modo, por exemplo, quantidades minuciosas de componentes tais como flúor e sulfato podem estar presentes como impurezas de traço nas matérias-primas fornecendo os componentes de sílica, óxido de cálcio, alumínio, e magnésio na prática comercial da invenção ou eles podem ser ajudas de processamento que são essencialmente removidas durante a fabricação.

[0022]Como aparente dos exemplos acima, composições de fibra de vidro da invenção têm propriedades vantajosas, tais como baixas temperaturas de formação de fibra e diferenças amplas entre as temperaturas liquidus e as temperaturas de formação de fibra (altos valores de ΔT). Outras vantagens e modificações óbvias da invenção ficarão evidentes para o técnico a partir da descrição acima e adicionalmente através da prática da invenção. O vidro de alto desempenho da presente invenção funde e refina em temperaturas relativamente baixas, tem uma viscosidade viável em uma ampla faixa de temperaturas relativamente baixas, e uma baixa faixa de temperatura liquidus.

[0023]A invenção deste pedido foi descrita acima igualmente genericamente e com respeito a modalidades específicas. Embora a invenção tenha sido estabelecida no que se acredita serem as modalidades preferidas, uma ampla variedade de alternativas conhecidas por aqueles de experiência na técnica pode ser selecionada dentro das descrições genéricas. Outras vantagens e modificações óbvias da invenção ficarão evidentes para o técnico da descrição acima e outra prática de processamento da invenção. A invenção não é limitada de outra maneira, exceto para a citação das reivindicações mencionadas abaixo.

Claims

1. Composição para fibras de vidro de alta resistência, formável a partir de um processo de fusão direto, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: 65 a 70 por cento em peso de SiO2; 16 a 24 por cento em peso de AI2O3; menos que 1,0 por cento em peso de CaO; 8 a 12 por cento em peso de MgO; e 9 ,75 a 3 por cento em peso de Li2O; em que a dita composição tem uma temperatura liquidus menor que 1387,8 °C (2530 °F) e uma temperatura de formação de fibra menor que 1454,4 °C (2650 °F).

2. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro compreende menos do que 5 por cento em peso total de compostos selecionados a partir do grupo consistindo em P2O5, ZnO, ZrO2, SrO, BaO, SO3, F2, B2O3, TiO2 e Fe2O3.

3. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro tem um ΔT de pelo menos 26,7 °C (80 °F), em que o ΔT é a diferença entre a temperatura de formação de fibra e a temperatura liquidus.

4. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição tem um ΔT de pelo menos 48,9 °C (120 °F), em que o ΔT é a diferença entre a temperatura de formação de fibra e a temperatura liquidus.

5. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição tem uma temperatura de formação de fibra menor do que 1426,7 °C (2600 °F), e um ΔT de pelo menos 60 °C (140 °F), em que o ΔT é a diferença entre a temperatura de formação de fibra e a temperatura liquidus.

6. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição de vidro também compreende 0 a 3 por cento em peso de óxidos de metal de álcali.

7. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição compreende: 68 a 69 por cento em peso de SiO2; 20 a 22 por cento em peso de Al2O3; menos que 1,0 por cento em peso de CaO; 9 a 10 por cento em peso de MgO; e 1,75 a 3 por cento em peso de Li2O.

8. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição compreende: 65 a 69 por cento em peso de SiO2; 20 a 22 por cento em peso de AI2O3; 9 a 11 por cento em peso de MgO; e 1,75 a 3 por cento em peso de Li2O.

9. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato de que o ΔT é pelo menos 60 °C (140 °F), em que o ΔT é a diferença entre a temperatura de formação de fibra e a temperatura liquidus.

10. Composição para fibras de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a composição tem uma temperatura de formação de fibra menor do que 1426,7 °C (2600 °F), e um ΔT de pelo menos 62,2 °C (144 °F), em que o ΔT é a diferença entre a temperatura de formação de fibra e a temperatura liquidus.

11. Fibra de vidro de alta resistência formada pela composição de vidro co- mo definida na reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita fibra de vidro tem uma resistência mecânica maior que 4826,3 MPa (700 KPsi) e uma densidade não maior que 2,486 g/cm3.

12. Fibra de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADA pelo fato de que a fibra tem um módulo maior do que 82737,1 MPa (12,0 MPsi), em que o módulo é o módulo de elasticidade definido como a taxa de variação na tensão em relação à deformação.

13. Fibra de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADA pelo fato de que a fibra tem um módulo maior do que 87563,4 MPa (12,7 MPsi), em que o módulo é o módulo de elasticidade definido como a taxa de variação na tensão em relação à deformação.

14. Fibra de vidro de alta resistência, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: 68 a 69 por cento em peso de SiO2; 20 a 22 por cento em peso de AI2O3; 9 a 10 por cento em peso de MgO; e 1,75 a 3 por cento em peso de Li2O.