ES2110381T3 - Fibra de vidrio resistente a altas temperaturas. - Google Patents
Fibra de vidrio resistente a altas temperaturas.Info
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-
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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Abstract
UNA FIBRA DE VIDRIO REFRACTARIA QUE TIENE UNA TEMPERATURA DE SERVICO SUPERIOR A 1000 (GRADOS) C, Y DE HASTA 1260 (GRADOS) C POR LO MENOS, QUE TIENE UNA INTEGRIDAD MECANICA TRAS EL SERVICIO COMPARABLE A LAS FIBRAS DE CERAMICA REFRACTARIAS CONVENCIONALES Y QUE NO ES DURADERA EN FLUIDOS FISIOLOGICOS, QUE CONSISTE ESENCIALMENTE EN EL PRODUCTO DE SILICE, MAGNESIA Y OPCIONALMENTE ZIRCONIA, Y SE PRODUCE A PARTIR DE UNA MASA FUNDIDA, QUE OPCIONALMENTE CONTIENE UN MODIFICADOR DE LA VISCOSIDAD.
Description
Fibra de vidrio resistente a altas
temperaturas.
La presente invención está dirigida a fibras de
vidrio resistentes a altas temperaturas útiles como material
aislante del calor o del ruido, que tiene un límite de temperatura
de utilización de hasta al menos 1260ºC. Más particularmente, la
presente invención está dirigida a fibras resistentes a altas
temperaturas que son fácilmente manufacturables y que exhiben una
baja contracción y retienen una buena resistencia mecánica después
de la exposición a la temperatura de servicio, aunque no es duradera
en fluidos fisiológicos.
La industria de materiales aislantes ha
determinado que es deseable utilizar fibras en aplicaciones
aislantes del calor y del ruido que no sean estables en fluidos
fisiológicos, tales como fluido pulmonar. Aunque se han propuesto
materiales candidatos, el límite de temperatura de utilización de
estos materiales no ha sido suficientemente alto para adaptarse a
muchas de las aplicaciones a las que se aplican fibras resistentes a
alta temperatura, incluyendo fibras de vidrio y cerámica
refractarias. En particular, las fibras resistentes a alta
temperatura deberían exhibir una contracción lineal mínima a las
temperaturas de exposición esperadas, para proporcionar una
protección térmica eficaz al artículo que se está aislando.
Se han propuesto muchas composiciones de la
familia de materiales de fibras vítreas artificiales que son
degradables en un medio fisiológico. Estas fibras de vidrio tienen
generalmente un contenido significativo de óxido de metal alcalino,
que a menudo da como resultado un bajo límite de temperatura de
utilización.
La solicitud de patente canadiense 2017344
describe una fibra de vidrio que tiene aplicabilidad fisiológica
formada a partir de vidrios que contienen como componentes
necesarios sílice, óxido de calcio y Na_{2}O, como componentes
preferidos magnesia y K_{2}O, y como componentes opcionales óxido
de boro, alúmina, titania, óxidos de hierro y fluoruro.
La publicación internacional WO 90/02713 describe
fibras minerales que son solubles en soluciones salinas, teniendo
las fibras una composición que incluye sílice, alúmina, óxido de
hierro, óxido de calcio, magnesia, Na_{2}O y K_{2}O.
La patente de EE.UU. 5.108.957 describe
composiciones de vidrio útiles para formar fibras que son capaces de
degradarse en un medio fisiológico, que contienen como componentes
necesarios sílice, óxido de calcio, Na_{2}O más K_{2}O y óxido
de boro, y opcionalmente alúmina, magnesia, fluoruro y
P_{2}O_{5}. Describe que la presencia de fósforo tiene el
efecto de aumentar la velocidad de descomposición de las fibras en
un medio fisiológico.
Otras patentes que citan el efecto del fósforo en
favorecer la solubilidad biológica de fibras minerales incluyen la
publicación internacional WO 92/09536, que describe fibras minerales
que contienen sustancialmente sílice y óxido de calcio, pero
opcionalmente magnesia y Na_{2}O más K_{2}O, en las que la
presencia de óxido de fósforo reduce el efecto estabilizante del
aluminio y el hierro sobre la matriz vítrea. Estas fibras se
producen típicamente a menores temperaturas que las fibras cerámicas
refractarias. Los inventores han observado que a las temperaturas de
fusión necesarias para las fibras resistentes a alta temperatura
(1700-2000ºC), el óxido de fósforo a niveles de tan
sólo un bajo porcentaje puede causar una grave degradación y/o
erosión de los componentes del horno.
La solicitud de patente canadiense 2043699
describe fibras que se descomponen en presencia de un medio
fisiológico, que contienen sílice, alúmina, óxido de calcio,
magnesia, P_{2}O_{5}, opcionalmente óxido de hierro y Na_{2}O
más K_{2}O. La solicitud de patente francesa 2662687 describe
fibras minerales que se descomponen en presencia de un medio
fisiológico, que contienen sílice, alúmina, óxido de calcio,
magnesia, P_{2}O_{5}, óxido de hierro y Na_{2}O más K_{2}O
más TiO_{2}.
La patente de EE.UU. 4.604.097 describe una fibra
de vidrio bioabsorbible que comprende generalmente una mezcla
binaria de óxido de calcio y pentóxido de fósforo, pero que tiene
otros constituyentes tales como fluoruro de calcio, agua y uno o
más óxidos tales como magnesia, óxido de cinc, óxido de estroncio,
óxido de sodio, óxido de potasio, óxido de litio u óxido de
aluminio.
La publicación internacional WO 92/07801 describe
una fibra de vidrio bioabsorbible que comprende pentóxido de fósforo
y óxido de hierro. Una porción del P_{2}O_{5} puede reemplazarse
por sílice, y una porción del óxido de hierro puede reemplazarse
por alúmina. Opcionalmente, la fibra contiene un compuesto catiónico
divalente seleccionado de Ca, Zn y/o Mg, y un compuesto catiónico
metal alcalino seleccionado de Na, K y/o Li.
La patente de EE.UU. 5.055.428 describe una
composición de fibra de vidrio de aluminoborosilicato de cal sodada
que es soluble en una solución pulmonar sintética. El contenido de
alúmina se reduce con un aumento del óxido de boro y un ajuste de
sílice, óxido de calcio, magnesia, K_{2}O y opcionalmente
Na_{2}O. Otros componentes pueden incluir óxido de hierro,
titania, flúor, óxido de bario y óxido de cinc.
La publicación internacional WO 87/05007 describe
una fibra inorgánica que tiene solubilidad en solución salina e
incluye sílice, óxido de calcio, magnesia y opcionalmente alúmina
La publicación internacional WO 89/12032 describe una fibra
inorgánica que tiene silicio extraíble en solución salina
fisiológica e incluye sílice, óxido de calcio, opcionalmente
magnesia, óxidos de metal alcalino y uno o más de alúmina, circonia,
titania, óxido de boro y óxidos de hierro.
La publicación internacional WO 91/15028 describe
fibras vítreas que son solubles en solución salina, que en un uso
cristalizan hasta diópsido tras exposición a 1000ºC y/o 800ºC
durante 24 horas y tienen una composición descrita en porcentajes en
peso de sílice 59-64, alúmina 0-3,5,
óxido de calcio 19-23 y magnesia
14-17, y que en otro uso cristalizan hasta
wolastonita/pseudowolastonita y tienen una composición descrita en
porcentaje en peso de sílice
60-67, alúmina 0-3,5, óxido de calcio 26-35 y magnesia 4-6.
60-67, alúmina 0-3,5, óxido de calcio 26-35 y magnesia 4-6.
Las fibras descritas en las publicaciones de
patente identificadas anteriormente están limitadas, sin embargo, en
su temperatura de utilización, y por lo tanto son inadecuadas para
aplicaciones de aislamiento a alta temperatura, tales como
revestimientos de hornos para utilización por encima de 1000ºC, y
aplicaciones de reforzamiento tales como composites de matriz
metálica y aplicaciones de fricción.
Se comercializa un producto basado en la química
de fibras no estables por Unifrax Corporation (Niagara Falls, Nueva
York) con la marca comercial INSULFRAX, que tiene una composición
porcentual en peso nominal de 65% de SiO_{2}, 31,1% de CaO, 3,2%
de MgO, 0,3% de Al_{2}O_{3} y 0,3% de Fe_{2}O_{3}. Thermal
Ceramics (localizado en Augusta, Georgia) vende otro producto con el
nombre comercial SUPERWOOL, y está compuesto por 58,5% de SiO_{2},
35,4% de CaO, 4,1% de MgO y 0,7% de Al_{2}O_{3} en peso. Este
material tiene un límite de utilización de 1000ºC y se funde
aproximadamente a 1240ºC, que es demasiado bajo para ser deseable
para los propósitos de aislamiento a alta temperatura descritos
anteriormente.
La solicitud internacional WO 94/15883 describe
fibras de CaO/MgO/SiO_{2} con constituyentes adicionales
Al_{2}O_{3}, ZrO_{2} y TiO_{2}, para las que se
investigaron la solubilidad salina y refractariedad. Este documento
afirma que la solubilidad salina parecía aumentar al aumentar las
cantidades de MgO, mientras que ZrO_{2} y Al_{2}O_{3} eran
perjudiciales para la solubilidad. La presencia de TiO_{2}
(0,71-0,74% en moles) y Al_{2}O_{3}
(0,51-0,55% en moles) conducía a las fibras a
incumplir el criterio de contracción de 3,5% o menos a 1260ºC. El
documento afirma además que las fibras que tienen demasiado
SiO_{2} son difíciles o imposibles de formar, y cita muestras que
tienen 70,04, 73,28 y 78,07% de SiO_{2} como ejemplos que no
pudieron fibrarse.
Además de la resistencia a la temperatura
expresada por las características de contracción que son importantes
en fibras que se utilizan en aislamiento, se requiere también que
las fibras tengan características de resistencia mecánica durante y
después de la exposición a la temperatura de utilización o servicio,
lo que permitirá a la fibra mantener su integridad estructural y
características aislantes en la utilización.
Una característica de la integridad mecánica de
una fibra es su friabilidad después del servicio. Cuanto más friable
es una fibra, es decir, más fácilmente se muele o disgrega hasta un
polvo, menos integridad mecánica posee. Los inventores han observado
que, en general, las fibras refractarias que exhiben tanto
resistencia a alta temperatura como no estabilidad en fluidos
fisiológicos exhiben también un alto grado de friabilidad después
del servicio. Esto da como resultado que la fibra carece de la
resistencia o integridad mecánica después de la exposición a la
temperatura de servicio para poder proporcionar la estructura
necesaria para cumplir sus fines aislantes.
Los inventores han encontrado que las fibras
resistentes a alta temperatura no estables que exhiben una buena
integridad mecánica tienen microestructruras cristalinas a muy
pequeña escala o finas después de la exposición a la temperatura de
servicio. Otras medidas de la integridad mecánica de las fibras
incluyen la resistencia a la compresión y la recuperación de la
compresión.
Sin embargo, las composiciones de vidrio
refractarias que pueden exhibir las características diana de
estabilidad, contracción con la temperatura y resistencia pueden no
ser susceptibles de fibrado, por hilado o soplado a partir de una
masa fundida de sus componentes.
Es por lo tanto un objeto de la presente
invención proporcionar una fibra de vidrio refractaria resistente a
altas temperaturas que sea fácilmente manufacturable a partir de una
masa fundida que tenga una viscosidad adecuada para soplar o hilar
fibras, y que no sea estable en fluidos fisiológicos.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar una fibra de vidrio refractario resistente a altas
temperaturas que no sea estable en fluidos fisiológicos, y que
exhiba una buena resistencia mecánica después de la exposición a la
temperatura de servicio.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar una fibra de vidrio refractaria resistente a altas
temperaturas que no sea estable en fluidos fisiológicos, pero que
exhiba una baja friabilidad después del servicio.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar una fibra de vidrio refractaria resistente a altas
temperaturas que no sea estable en fluidos fisiológicos, y que
exhiba una microestructura a pequeña escala o fina después de la
exposición inicial a la temperatura de servicio.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar una fibra de vidrio refractario resistente a altas
temperaturas que no sea estable en fluidos fisiológicos y que exhiba
una alta resistencia a la compresión y recuperación de la compresión
después de la exposición a la temperatura de servicio.
Se proporcionan fibras de vidrio refractarias
resistentes a altas temperaturas que no son estables en fluidos
fisiológicos. Las fibras son de 4 a 150 veces más solubles en fluido
pulmonar simulado que las fibras cerámicas refractarias estándar de
aluminosilicato, y exhiben un límite de temperatura de utilización
de al menos 1000ºC hasta 1260ºC o mayor. A estas altas temperaturas,
las fibras de la presente invención como se describe a continuación
experimentan menos de aproximadamente 6% de contracción lineal,
preferiblemente menos de aproximadamente 4,5% de contracción lineal,
y lo más preferiblemente menos de aproximadamente 3% de contracción
lineal cuando se mantienen a esa temperatura durante 24 ó 168 horas.
Las fibras de la presente invención retienen la resistencia mecánica
después de la exposición a las temperaturas de servicio. En
contraposición con las enseñanzas de la técnica, se han identificado
fibras de la presente invención que satisfacen los requisitos de
ser susceptibles de formación de fibras, refractarias y no estables
en las que las composiciones contienen SiO_{2} en el intervalo de
70 a 86% en peso.
Según la presente invención, se proporciona una
fibra de vidrio refractaria con baja contracción basada en un
sistema de silicato de magnesio que tiene una temperatura de
utilización de hasta al menos 1260ºC, que mantiene la integridad
mecánica después de la exposición a la temperatura de utilización y
que no es estable en fluidos fisiológicos, tales como fluido
pulmonar.
La fibra de vidrio refractaria no estable según
la presente invención está compuesta esencialmente del producto de
aproximadamente 65 a aproximadamente 86% en peso de sílice,
aproximadamente 14 a aproximadamente 35% en peso de magnesia, 0 a
aproximadamente 11% en peso de circonia y una cantidad eficaz de un
modificador de la viscosidad. El modificador de la viscosidad puede
seleccionarse de alúmina, óxido de boro y mezclas de los mismos. La
fibra debe contener no más de aproximadamente 1% en peso de
impurezas de óxido de calcio y no más de aproximadamente 0,4% en
peso de impurezas de óxidos de hierro (calculadas como
Fe_{2}O_{3}).
Las fibras de la presente invención no contienen
sustancialmente metal alcalino, más que impurezas traza. La
presencia de óxidos de hierro y óxido de calcio debe limitarse en la
medida de lo posible.
La presente invención proporciona un proceso para
la producción de fibra de vidrio refractaria que tiene una
temperatura de utilización de hasta al menos 1260ºC, que mantiene la
integridad mecánica después de la exposición a la temperatura de
servicio y que no es estable en fluidos fisiológicos, que
comprende:
formar una masa fundida con ingredientes
compuestos esencialmente de aproximadamente 65 a aproximadamente 86%
en peso de sílice, aproximadamente 14 a aproximadamente 35% en peso
de magnesia, 0 a aproximadamente 11% en peso de circonia y,
opcionalmente, una cantidad eficaz de un modificador de la
viscosidad, y
producir fibras a partir de la masa fundida.
Las composiciones fundidas utilizadas para
producir las fibras de la presente invención proporcionan una
viscosidad en estado fundido adecuada para soplar o hilar fibras, y
para controlar la estructura cristalina de las fibras resultantes de
modo que confieran resistencia mecánica después de la exposición a
la temperatura de servicio.
La Figura 1A es una curva de viscosidad frente a
temperatura de la química en estado fundido para una fibra de
aluminosilicato hilada comercialmente disponible.
La Figura 1B es una curva de viscosidad frente a
temperatura de la química en estado fundido para una fibra de
aluminosilicato soplada comercialmente disponible.
La Figura 2 es una curva de viscosidad frente a
temperatura para la química en estado fundido de una fibra de
magnesia-sílice-circonia que tiene
un 75% en peso de sílice.
La Figura 3 es una curva de viscosidad frente a
temperatura para la química en estado fundido de una fibra de
magnesia-sílice-circonia que tiene
un 70% en peso de sílice.
La Figura 4 es una curva de viscosidad frente a
temperatura para la química en estado fundido de una fibra de
magnesia-sílice-circonia que tiene
un 75% en peso de sílice y un 1% de alúmina añadida.
La Figura 5 es una curva de viscosidad frente a
temperatura para una química en estado fundido de una fibra de
magnesia-sílice-circonia preferida
que tiene un 1% de alúmina añadida.
La Figura 6 es una curva de viscosidad frente a
temperatura de la química en estado fundido para una fibra de
magnesia-sílice-circonia
preferida.
La Figura 7 es una curva de viscosidad frente a
temperatura de la química en estado fundido para una fibra de
magnesia-sílice-circonia
preferida.
La Figura 8 es una microfotografía de barrido
electrónico de fibras cerámicas que comprenden silicato de aluminio
y circonio (SAC) después de exposición a 1426ºC durante 24
horas.
La Figura 9 es una microfotografía de barrido
electrónico de fibras cerámicas que comprenden caolín después de
exposición a 1260ºC durante 24 horas.
La Figura 10 es una microfotografía de barrido
electrónico de fibras de vidrio que comprenden silicato de titanio y
calcio después de exposición a 1260ºC durante 24 horas.
La Figura 11 es una microfotografía de barrido
electrónico de fibras de vidrio de la presente invención después de
exposición a 1260ºC durante 24 horas.
La Figura 12 es una microfotografía de barrido
electrónico de una sección transversal de fibras de vidrio de la
presente invención.
La Figura 13 es una microfotografía de barrido
electrónico de una sección transversal de fibras cerámicas que
comprenden silicato de aluminio y circonio (SAC).
Según la presente invención, se proporciona una
fibra de vidrio refractaria útil como material aislante del calor o
el ruido que tiene un límite de temperatura de utilización mayor de
1260ºC y que no es estable en fluidos fisiológicos, tales como
fluido pulmonar. Por no estable en fluidos fisiológicos se quiere
indicar que la fibra se disuelve al menos parcialmente en dichos
fluidos (tales como fluido pulmonar simulado) durante ensayos in
vitro.
Para que una composición de vidrio sea un
candidato viable para producir un producto de fibra refractaria a
alta temperatura satisfactorio, la fibra a producir debe ser
manufacturable, suficientemente soluble en fluidos fisiológicos y
capaz de sobrevivir a altas temperaturas con una contracción mínima
y una mínima pérdida de integridad. Para identificar los materiales
que satisfacen estos criterios, se utilizó un conjunto de ensayos
de análisis para identificar las fibras que exhiben las propiedades
diana. Estos ensayos incluyen (a) viscosidad/formación de fibras,
(b) estabilidad, (c) contracción a alta temperatura y (d)
friabilidad, resistencia y resiliencia después del servicio.
"Viscosidad" designa la capacidad de una
masa fundida vítrea de resistir el flujo o la tensión de
cizalladura. La relación viscosidad-temperatura es
crítica para determinar si es posible formar fibras con una
composición de vidrio dada. Una curva de viscosidad óptima tendría
una baja viscosidad (5-50 poise) a la temperatura de
formación de fibras, y aumentaría gradualmente a medida que se
reduce la temperatura. Si la masa fundida no es suficientemente
viscosa (concretamente demasiado fina) a la temperatura de formación
de fibras, el resultado es una fibra corta fina con una alta
proporción de material que no ha formado fibras (gránulos). Si la
masa fundida es demasiado viscosa a la temperatura de formación de
fibras, la fibra resultante será extremadamente gruesa (gran
diámetro) y corta.
La viscosidad depende de la química en estado
fundido, que está también afectada por los elementos o compuestos
que actúan como modificadores de la viscosidad. Los inventores han
encontrado que, para este sistema de química de fibras, alúmina y
óxido de boro actúan como modificadores de la viscosidad que
permiten que las fibras se soplen o hilen. Sin embargo, es
necesario, según la presente invención, que dichos modificadores de
la viscosidad, por tipo o por cantidad, no afecten adversamente a la
solubilidad, resistencia a la contracción o resistencia mecánica de
la fibra soplada o hilada.
Los perfiles de
viscosidad-temperatura pueden medirse en un
viscosímetro capaz de funcionar a temperaturas elevadas. Además,
puede inferirse un perfil de viscosidad adecuado mediante
experimentación rutinaria, examinando la calidad de la fibra
producida (índice, diámetro, longitud).
El ensayo de estabilidad mide la velocidad a la
que se pierde masa de la fibra (ng/cm^{2}-h) en
condiciones que simulan las condiciones de temperatura y químicas
encontradas en el pulmón humano. Este ensayo consiste en exponer
aproximadamente 0,1 g de fibra sin gránulos a un flujo de 0,3 ml/min
de fluido pulmonar simulado (FPS). El sistema de ensayo completo se
mantiene a 37ºC para simular la temperatura del cuerpo humano. Los
ensayos duran preferiblemente entre aproximadamente 2 y 4
semanas.
Después de que el FPS haya fluido a través de la
fibra, se recoge y se analizan los constituyentes vítreos utilizando
espectroscopía de plasma acoplada inductivamente. Se mide también
una muestra "blanco" de FPS y se utiliza para corregir los
elementos presentes en el FPS. Una vez se ha obtenido este dato, es
posible calcular la velocidad a la que la fibra ha perdido masa
durante el intervalo de tiempo del estudio.
En las fibras se ensaya la contracción mediante
su conformación en húmedo en un bloque, midiendo mediante calibres
las dimensiones de longitud y anchura del bloque (típicamente 7,62 x
12,7 cm), disponiendo el bloque en un horno, aumentando la
temperatura y manteniéndola durante un periodo fijo de tiempo.
Después de calentar, los bloques se vuelven a medir para determinar
cualquier cambio en las dimensiones que haya ocurrido.
En uno de dichos ensayos, se prepararon los
bloques mezclando aproximadamente 427 g de fibra, 27,2 g de
aglutinante fenólico y aproximadamente 15,14 l de agua, vertiendo la
mezcla en un molde laminar y permitiendo que el agua se escurriese a
través de la parte inferior del molde. El bloque se secó y se cortó
una pieza que medía 7,62 cm por 12,7 cm por 2,54 cm. La longitud y
anchura de esta pieza se midieron cuidadosamente, y el bloque se
depositó en un horno y se llevó a una temperatura de 1260ºC durante
24, 168 ó 672 horas. Después de enfriar, se midieron las dimensiones
laterales y se determinó la contracción lineal comparando las
medidas "antes" y "después". Si la fibra está disponible
en forma de capa, las medidas pueden hacerse directamente en la capa
sin necesidad de formar un bloque. (Dichas medidas de contracción de
capa se correlacionan, pero no son idénticas, a las medidas de
contracción de bloque).
La friabilidad después del servicio se refiere a
la capacidad de la fibra de retener su integridad mecánica después
de la exposición a altas temperaturas. Esta es una propiedad
importante, puesto que la fibra debe soportar su propio peso en
cualquier aplicación y debe ser capaz también de resistir la
abrasión debido a aire o gas en movimiento. Las indicaciones de
integridad de fibra y resistencia mecánica se proporcionan mediante
observaciones visuales y táctiles, así como la medida mecánica de
estas propiedades de las fibras después de expuestas a temperatura
de servicio.
La integridad del bloque de contracción después
del servicio se indica mediante dos ensayos: resistencia de
compresión y recuperación de la compresión. Estos ensayos miden,
respectivamente, lo fácilmente que el bloque puede deformarse y la
cantidad de resiliencia (o recuperación de la compresión) que exhibe
el bloque después de una compresión del 50%.
Se calentaron bloques de compresión preparados a
partir de fibras de la presente invención a 1260ºC durante 24 ó 168
horas, y se ensayó después la compresión utilizando un dispositivo
de ensayo Instron. Se empujó un vástago cilíndrico de 6,35 cm de
diámetro en el bloque de contracción hasta que el bloque se
comprimió a la mitad de su espesor original. En este punto, se
detuvo la cruceta y se registró la carga máxima (en kPa) encontrada
durante la compresión.
Se midió después la recuperación de la compresión
revirtiendo lentamente la dirección de marcha de la cruceta y
retirando el vástago cilíndrico del bloque de contracción hasta que
la lectura de carga fue cero. Se registró la distancia de marcha
desde el punto de compresión al 50% hasta el punto de carga cero y
se expresó como un porcentaje del espesor original del bloque. Este
número es indicativo de la cantidad de resiliencia del bloque de
fibra.
Mediante estos criterios de ensayo, un bloque de
bajo rendimiento tendría valores bajos de resistencia a la
compresión indicando que se comprime fácilmente, y valores bajos
para la recuperación de la compresión indicando que, una vez
deformada, el bloque experimenta poca recuperación. A la inversa,
una composición de bloque/fibra con valores altos para estos
parámetros exhibe una alta resistencia mecánica y se considera de
alto rendimiento. Una fibra ideal tendría una resistencia a la
compresión dentro de un intervalo diana comparable a una fibra de
aluminosilicato comercial estándar, y adicionalmente una alta
recuperación de la compresión, o resiliencia.
Tras el calentamiento a la temperatura de
servicio, las fibras de vidrio, que son generalmente amorfas cuando
se manufacturan, experimentan cristalización. En parte, el tamaño de
los cristales resultantes afecta a las propiedades mecánicas de la
fibra. Se ha observado que fibras fuertes resilientes demuestran un
tamaño del grano muy pequeño después del calentamiento. Las fibras
que son frágiles después del calentamiento tienen típicamente granos
muy grandes.
Se realiza una medida del tamaño del grano
después del servicio como sigue. Se calientan muestras de fibra a
1260ºC (típicamente durante 24 horas). La muestra calentada se monta
después en epóxido y se permite endurecer el epóxido. Se pule
después la montura de epóxido para proporcionar una sección
transversal suave de la fibra. Este montaje pulido se examina
después utilizando un microscopio de barrido electrónico funcionando
en modo de retrodispersión o de formación de imágenes electrónicas
secundarias (lo que dé el mejor contraste entre las fases
cristalinas) y se toma una microfotografía.
Se traza una línea a través de la microfotografía
(habitualmente de esquina a esquina) y se cuenta el número de
intersecciones cristalinas con esta línea. Se mide la longitud de
la línea y se convierte en micrómetros basándose en la escala de la
microfotografía. Por ejemplo, una línea de 5 cm trazada en una
microfotografía de 1000 x, se mediría como 5/1000 cm o 50
micrómetros. La longitud de la línea se divide entre el número de
intersecciones cristalinas para dar un tamaño aproximado por
cristal.
En algunos casos, el tamaño del cristal es
demasiado pequeño o los límites demasiado difusos para permitir la
medida mediante este procedimiento. En dichos casos, el tamaño de un
cristal "típico" debe estimarse mediante comparación con la
barra micrométrica de la microfotografía.
Los inventores han encontrado que la adición de
circonia a fibras de silicato de magnesio a niveles de hasta
aproximadamente 11% en peso mejora la microestructura después del
servicio y reduce la friabilidad de las fibras de vidrio
refractarias no estables. Han encontrado que esta adición de
circonia a las fibras da como resultado también la formación de
microestructuras a muy pequeña escala cuando la fibra se expone a
temperaturas de hasta 1260ºC durante hasta 24 horas. Esta
microestructura a pequeña escala o fina proporciona una buena
integridad mecánica de la fibra después de la exposición a la
temperatura de servicio. Esta microestructura puede engrosarse
ligeramente con una prolongada exposición a la temperatura de
utilización; sin embargo, estas fibras retienen sus propiedades
mecánicas mejoradas después de dicha exposición prolongada respecto
a otras fibras no estables resistentes a la temperatura.
Un mecanismo mediante el cual un tamaño del grano
pequeño puede mejorar la resistencia de la fibra es al crear una
fibra con menores irregularidades, ya que una fibra de grano
pequeño tendrá una superficie más lisa que una fibra de grano
grueso. Los defectos superficiales pueden actuar como aumentadores
de la tensión y proporcionar puntos en los que la fibra puede
romperse fácilmente.
Aunque la circonia es conocida por reducir las
velocidades de disolución del vidrio en FPS, en las fibras de la
presente invención se muestra que este efecto es suficientemente
pequeño para que la fibra resultante exhiba la solubilidad diana en
FPS.
La combinación de no estabilidad, es decir,
solubilidad en FPS, y mantenimiento de la integridad mecánica
después de la exposición a temperaturas de servicio de 1260ºC no se
ha demostrado mediante las fibras descritas o utilizadas por otros
en la industria. La presente invención controla la microestructura
de la fibra tras la desvitrificación, es decir, el calentamiento a
la temperatura de servicio, mediante la adición de hasta 11% en peso
de ZrO_{2}, que modifica la cristalización, a la masa fundida de
producción.
El análisis de la estabilidad de las fibras
anteriores en fluido pulmonar simulado indica que estas fibras son
significativamente menos estables que la fibra cerámica refractaria
normal, tal como aluminosilicatos (aproximadamente 50/50 de
porcentaje en peso) y
alumino-circonia-silicatos o SAC
(aproximadamente 30/16/54% en peso).
Las fibras de vidrio refractarias no estables
según la presente invención se preparan mediante procedimientos
estándar de manufacturación de fibras de vidrio y cerámicas. Las
materias primas, tales como sílice, cualquier fuente adecuada de
magnesia tal como enstatita, forsterita, magnesia, magnesita,
magnesita calcinada, circonato de magnesita, periclasa, esteatita o
talco, y cualquier fuente adecuada de circonia tal como badeleita,
circonato de magnesio, circón o circonia, se liberan en proporciones
seleccionadas desde depósitos a un horno, en el que se funden y se
soplan utilizando una boquilla de formación de fibras, o se hilan en
un modo por lotes o continuo.
La viscosidad de la masa fundida puede
controlarse opcionalmente mediante la presencia de modificadores de
la viscosidad suficientes para proporcionar la formación de fibras
necesaria para las aplicaciones deseadas. Los modificadores de la
viscosidad pueden estar presentes en la materia prima que suministra
los componentes principales de la masa fundida, o pueden añadirse
separadamente, al menos en parte. El tamaño de partícula deseado de
las materias primas se determina por las condiciones de horneado,
incluyendo el tamaño del horno (SEF), la velocidad de vertido, la
temperatura de fusión, el tiempo de residencia y similares.
Según una realización de la presente invención,
la fibra de vidrio refractaria es capaz de soportar una temperatura
de utilización de al menos hasta 1260ºC con menos de aproximadamente
6% de contracción lineal, preferiblemente menos de aproximadamente
4,5% de contracción lineal, exhibe una baja friabilidad después del
servicio y no es estable en fluidos fisiológicos, tales como fluido
pulmonar. Lo más preferiblemente, la contracción lineal de la fibra
es menor de aproximadamente 3%. La fibra de vidrio refractaria no
estable de la presente invención está compuesta esencialmente del
producto de aproximadamente 65 a aproximadamente 86% en peso de
sílice, aproximadamente 14 a aproximadamente 35% en peso de
magnesio, 0 a aproximadamente 11% en peso de circonia, y
opcionalmente una cantidad eficaz de un modificador de la
viscosidad. La fibra debería contener no más de aproximadamente 1%
en peso de impurezas de óxido de calcio y no más de aproximadamente
0,4% en peso de impurezas de óxidos de hierro (calculadas como
Fe_{2}O_{3}). El modificador de la viscosidad puede
seleccionarse de alúmina, óxido de boro y mezclas de los mismos.
Pueden utilizarse otros elementos o compuestos como modificadores de
la viscosidad que, cuando se añaden a la masa fundida, afectan a la
viscosidad de la masa fundida de modo que la aproximan al perfil, o
la conformación, de la curva de viscosidad/temperatura de una masa
fundida que es fácilmente susceptible de formación de fibras, como
se discute a continuación.
Ejemplos
1-2
Se ensayaron las siguientes composiciones para
evaluar adicionalmente el efecto de la circonia sobre el rendimiento
de la composición de silicato de magnesio. Las muestras que tienen
las composiciones en porcentaje en peso nominales citadas a
continuación se trataron térmicamente a 1260ºC durante hasta 24
horas.
SiO_{2} | MgO | ZrO_{2} | |
Ej. 1 | 75 | 14 | 11 |
Ej. 2 | 75 | 19,5 | 5,5 |
Se examinaron estas muestras y se encontró que
tienen buenas microestructuras como se requiere para proporcionar
una buena resistencia mecánica después del servicio.
Ejemplo comparativo
A
Se ensayó una fibra que tiene de composición
nominal 71,5% en peso de SiO_{2}, 24,5% en peso de CaO, 3,2% en
peso de Al_{2}O_{3} y 0,1% en peso de TiO_{2}, y se encontró
que satisfacía los objetivos de estabilidad y contracción. Esta
fibra fallaba, sin embargo, cuando se calentaba rápidamente. Los
inventores han teorizado que el fallo de esta muestra fue debido a
una mala nucleación cristalina en la fibra, y/o a excesivas
impurezas de alúmina.
Ejemplo comparativo
B
Se preparó una fibra que tenía de composición
75,3% en peso de SiO_{2} y 21,0% en peso de CaO, con 1,5% en peso
de TiO_{2} añadido como agente nucleante, que satisfacía los
objetivos de estabilidad y contracción, y era tolerante con un
calentamiento rápido. Sin embargo, este material tenía una excesiva
friabilidad después del servicio, exhibiendo una mala resiliencia y
disgregación al tacto.
Las muestras se trataron térmicamente a 1260ºC
durante 24 horas. El análisis microestructural mediante microscopía
de barrido electrónico reveló que las estructuras que contenían
titania tenían una microestructura más gruesa.
La titania tenía un fuerte impacto negativo
sobre la integridad después del servicio de las fibras de silicato
de calcio. A un nivel de 1,5% en peso, la titania causaba un
crecimiento del grano sustancial y una friabilidad después del
servicio muy alta (es decir, una baja resistencia mecánica). En
contraposición, la integridad después del servicio de fibras que
contenían circonia mejoró respecto a las fibras que contenían
titania después de un calentamiento a corto plazo (menos de
aproximadamente 1 mes).
La forma de la curva de viscosidad frente a
temperatura para una composición vítrea es representativa de la
facilidad con la que una masa fundida formará fibras y, por tanto,
de la calidad de la fibra resultante (que afecta, por ejemplo, al
contenido de gránulos de la fibra, al diámetro de la fibra y a la
longitud de la fibra). Los vidrios tienen generalmente una baja
viscosidad a altas temperaturas. A medida que se reduce la
temperatura, la viscosidad aumenta. El valor de la viscosidad a una
temperatura dada variará en función de la composición, así como con
la pendiente global de la curva de viscosidad frente a
temperatura.
Un enfoque para ensayar si una fibra de una
composición definida puede manufacturarse fácilmente a un nivel de
calidad aceptable es determinar si la curva de viscosidad de la
química experimental se ajusta a la de un producto conocido que
pueda formar fibras fácilmente. Dicha curva de viscosidad diana se
muestra en la Figura 1A, que es la curva de viscosidad para una
fibra de aluminosilicato hilada disponible comercialmente, y en la
figura 1B, que es la curva de viscosidad para una fibra de
aluminosilicato soplada disponible comercialmente.
La Figura 2 muestra la curva de viscosidad para
una química en estado fundido de fibra de
magnesia-circonia-sílice compuesta
de 75% de SiO_{2}, 5,5% de ZrO_{2} y 19,5% de MgO (en peso). El
área "ruidosa" de la curva de 1800-1900ºC se
cree que es debida a la separación de fases o al inicio de la
solidificación. La Figura 3 muestra una curva similar para una
química en estado fundido de 70% de SiO_{2}, 5,5% de ZrO_{2},
24,5% de MgO. La comparación de las figuras 2 y 3 muestra que la
caída de un 5% del nivel de SiO_{2} da como resultado una
reducción de la viscosidad; sin embargo, ninguna curva se aproxima a
la curva de viscosidad diana de la Figura 1A. La Figura 4 muestra
el impacto de añadir 1% en peso de Al_{2}O_{3} a la composición
de la Figura 2. La pequeña adición de Al_{2}O_{3} causa que la
curva de viscosidad se desplace hacia abajo y desplace la región de
fases separadas a temperaturas menores. Aunque no se muestra aquí,
se observa un desplazamiento similar de la viscosidad con una
pequeña adición de B_{2}O_{3} (hasta aproximadamente 1% en
peso).
Al ajustar tanto el nivel de SiO_{2} como de
Al_{2}O_{3} de una química de
magnesia-circonia-sílice, fue
posible obtener la curva de viscosidad mostrada en la Figura 5 para
una química en estado fundido de 72,3% de SiO_{2}, 5,4% de
ZrO_{2}, 21,3% de Al_{2}O_{3} en peso, que es casi idéntica en
forma entre 1800ºC y 2000ºC (el intervalo de hilado eficaz) a la
curva de viscosidad de la química de hilado de aluminosilicato
mostrada en la Figura 1A. A dichos niveles bajos, las adiciones de
Al_{2}O_{3} y B_{2}O_{3} tienen un efecto mínimo sobre las
propiedades de rendimiento de la fibra de la presente invención,
aunque son eficaces para ajustar la viscosidad en estado fundido y
mejorar la calidad de la fibra.
La Figura 6 muestra la curva de viscosidad para
una química en estado fundido de fibra de
magnesia-circonia-sílice que
comprende 73,5% de sílice, 23% de magnesia y 3,5% en circonia, en
peso. La Figura 7 muestra a curva de viscosidad para una química en
estado fundido de fibra de magnesia-sílice que
comprende 73,5% de sílice y 26,5% de magnesia, en peso. Ambas curvas
se aproximan a la curva de viscosidad diana de la Figura 1B para la
fibra de aluminosilicato soplada disponible comercialmente. Estas
químicas de fibra en estado fundido, según la presente invención,
son bien adecuadas para formación de fibras mediante técnicas
convencionales de soplado o hilado.
Las fibras de vidrio refractarias no estables
según la presente invención que tienen las características de
contracción y resistencia mecánica diana para una temperatura de
servicio de al menos 1260ºC son adecuadas para formar fibras a
partir de masas fundidas que proporcionan las composiciones
enumeradas en la Tabla II a continuación.
Composición | A | B | C |
SiO_{2} | 72,3% | 72,2% | 72,2% |
MgO | 21,3 | 21,2 | 21,2 |
ZrO_{2} | 5,4 | 5,3 | 5,3 |
Al_{2}O_{3} | 1,0 | 1,3 | 0,8 |
B_{2}O_{3} | - | - | 0,5 |
CaO | < 1 | < 1 | < 1 |
Fe_{2}O_{3} | < 0,3 | < 0,3 | < 0,3 |
La fibra de vidrio refractaria no estable según
la invención está compuesta preferiblemente esencialmente del
producto de aproximadamente 65 a aproximadamente 86% en peso de
sílice, aproximadamente 14 a aproximadamente 35% en peso de
magnesia, 0 a aproximadamente 11% en peso de circonia, 0 a
aproximadamente 3% en peso de alúmina, y 0 a aproximadamente 2% en
peso de óxido de boro. La fibra que tiene menos de aproximadamente
2% en peso de alúmina exhibe propiedades superiores.
En intervalos más preferidos, la fibra de vidrio
refractaria no estable está compuesta esencialmente del producto de
aproximadamente 69 a aproximadamente 80% en peso de sílice,
aproximadamente 20 a aproximadamente 31% en peso de magnesia, 0 a
aproximadamente 7% en peso de circonia, 0 a aproximadamente 2% en
peso de alúmina y 0 a aproximadamente 1% en peso de óxido de
boro.
En los intervalos más preferidos, la fibra de
vidrio refractaria no estable está compuesta esencialmente del
producto de aproximadamente 70 a aproximadamente 79% en peso de
sílice, aproximadamente 20 a aproximadamente 29% en peso de
magnesia, aproximadamente 1 a aproximadamente 5% en peso de
circonia, 0 a aproximadamente 1,5% en peso de alúmina y 0 a
aproximadamente 1% en peso de óxido de boro.
En la masa fundida y las fibras de la presente
invención, el nivel de sílice operativo está entre aproximadamente
65 y aproximadamente 86% en peso, con el límite superior limitado
sólo por la manufacturabilidad. Esto es contrario a las enseñanzas
en la técnica, que afirman que las fibras que tienen niveles de
sílice superiores al 70% no son manufacturables.
Las fibras de la presente invención no contienen
preferiblemente sustancialmente metal alcalino, más que impurezas
traza. El contenido de metal alcalino de estas fibras está
generalmente en el intervalo de las impurezas traza, o milésimas de
1% como máximo, calculado como óxido de metal alcalino. Otras
impurezas incluyen óxido de calcio, en una cantidad de menos de
aproximadamente 1% en peso o tan baja como sea posible, y óxidos de
hierro, en una cantidad de menos de aproximadamente 0,4% en peso,
calculadas como Fe_{2}O_{3}, o tan baja como sea posible.
En una serie de procesos de ensayo, se produjeron
las siguientes composiciones de fibra refractaria mediante técnicas
de hilado o soplado, y se ensayó el rendimiento térmico a 1260ºC y
la solubilidad en FPS. Las composiciones individuales se enumeran en
la tabla IIIA, y sus rendimientos térmicos y datos de solubilidad se
detallan a continuación en la tabla IIIB.
Los ensayos realizados en la fibra de silicato de
magnesio que contiene circonia del ejemplo 4 revelaron que la fibra
exhibía una contracción de sólo 4,3% después de 24 horas a 1260ºC,
una velocidad de disolución de
\hbox{60,4 ng/cm ^{2} -h}y una integridad mecánica que se compara favorablemente con la de una fibra cerámica refractaria convencional de alta resistencia mecánica (ejemplos comparativos C, D y E). Otros ejemplos de la presente invención que demuestran una baja contracción a la temperatura de utilización o servicio incluyen los ejemplos 5-8, 10-12 y 25-39. Los ejemplos comparativos 13-15, con los intervalos composiciones fuera de la presente invención, demuestran una contracción mucho más alta a la temperatura de servicio.
Los inventores han identificado fibras de vidrio
refractarias no estables, según la presente invención, que exhiben
una contracción muy baja, del orden de aproximadamente 4,5% o menos
después de la exposición a la temperatura de servicio, y que se han
manufacturado a partir de una masa fundida que tiene alúmina como
modificador de la viscosidad, que tienen una composición en el
intervalo de aproximadamente 69,75 a aproximadamente 73,5% en peso
de sílice, aproximadamente 16,75 a aproximadamente 22,25% en peso de
magnesio, 0 a aproximadamente 7,5% en peso de circonia y
aproximadamente 1 a aproximadamente 3% en peso de alúmina,
Han identificado además fibras de vidrio
refractarias no estables particulares, según la presente invención,
que exhiben una contracción muy baja, del orden de aproximadamente
4,5% o menos después de la exposición a la temperatura de servicio,
y que se han manufacturado a partir de una masa fundida que tiene
alúmina y óxido de boro como modificantes de la viscosidad, que
tienen una composición en el intervalo de aproximadamente 71,5 a
aproximadamente 73,5% en peso de sílice, aproximadamente 19 a
aproximadamente 21,5% en peso de magnesia, aproximadamente 5 a
aproximadamente 6% en peso de circonia y aproximadamente 0,5 a
aproximadamente 2% en peso de alúmina, y aproximadamente 0,2 a
aproximadamente 1% en peso de óxido de boro.
En la microestructura después del servicio de
fibras preparadas según la presente invención, como se representan
por el ejemplo 12 reseñado en la tabla III anterior, se ensayó el
tamaño del grano según el procedimiento de ensayo indicado
anteriormente después de la exposición a una temperatura de 1260ºC.
Esto se comparó con los resultados de ensayo para la fibra de
silicato de calcio que contiene titania que tiene la composición del
ejemplo comparativo B anterior, y fibras cerámicas de SAC
refractaria (ejemplo comparativo C) y caolín (ejemplo comparativo
C).
Los resultados de los ensayos se representan
mediante las microfotografías de las Figuras 8-13.
La fibra de titania-silicato de calcio del ejemplo
comparativo B (Figura 10), al ser extremadamente friable, exhibía
una rugosidad superficial significativa y un gran tamaño del grano
de cristal superficial en comparación con las fibras cerámicas
refractarias convencionales de los ejemplos comparativos C (Figura
8) y D (Figura 9), y el ejemplo 12, una fibra de la presente
invención (Figura 11) que exhibió una superficie más suave y
cristalitos superficiales relativamente menores. La rugosidad
superficial y los grandes cristales superficiales son indeseables,
al estar asociados a la friabilidad de la fibra y una baja
resistencia mecánica.
Sin embargo, las fibras solubles en FPS de la
presente invención, que tienen una friabilidad después del servicio
significativamente reducida, exhibieron una microestructura de
grano muy fino, teniendo tamaños del grano de cristal del orden de
1,9 micrómetros o menos como se muestra en la tabla III, ejemplos 4,
5, 12, 17-19 y 21-24. El ejemplo
comparativo B, que es una fibra de titania-
calcio-silicato, y el ejemplo comparativo 20, que es
magnesia-circonia-silicato fuera
del intervalo composicional de la presente invención, demostraron
una microestructura después del servicio de grano mucho mayor.
La Figura 12 demuestra en la sección transversal
los cristalitos de tamaño pequeño, tanto en términos absolutos como
con referencia al diámetro de la fibra, presentes en una fibra de
la presente invención después de la exposición a una temperatura de
servicio de 1260ºC durante 24 horas. Esta fibra de alta resistencia
mecánica es comparable en el tamaño del cristalito a la muy fuerte
fibra de SAC, mostrada en sección transversal en la Figura 13,
después de la exposición a una temperatura de servicio de 1426ºC
durante 24 horas.
En una serie adicional de procesos de ensayo, se
produjeron las siguientes composiciones de fibras refractarias
mediante la técnica de soplado y se ensayó el rendimiento térmico a
1260ºC y la solubilidad en FPS. Los componentes individuales se
enumeran en la tabla IVA, y sus rendimientos térmicos y resultados
de solubilidad se detallan a continuación en la tabla IVB.
Para las fibras no estables según la presente
invención, preparadas mediante técnicas de soplado de fibras,
exhiben los mejores resultados de rendimiento térmico las fibras
sopladas a partir de composiciones en estado fundido que contienen
aproximadamente 70% de sílice y más, que tienen un índice de fibra
de aproximadamente 35 o más, y un diámetro de aproximadamente 2
micrómetros o más. Este rendimiento se obtiene con diámetros de
fibra hasta aproximadamente 10 micrómetros, aunque el único límite
superior práctico para el diámetro de fibra según la presente
invención es la capacidad de hilar o soplar el producto que tiene el
diámetro deseado.
Las composiciones particularmente preferidas para
formar fibras a partir de la masa fundida incluyen aproximadamente
70 a aproximadamente 77,5% en peso de sílice, aproximadamente 15,5 a
aproximadamente 30% en peso de magnesia y 0 a aproximadamente 6% en
peso de circonia. Una composición en estado fundido adecuada para
formar producto de fibra es de aproximadamente 73,5% en peso de
sílice, aproximadamente 23 a aproximadamente 26,5% en peso de
magnesia, 0 a aproximadamente 3,5% en peso de circonia e impurezas
en el intervalo de aproximadamente 0,15 a aproximadamente 0,3% en
peso de óxido de calcio, generalmente aproximadamente 0,32 a
aproximadamente 1,86% en peso, generalmente aproximadamente 0,32 a
aproximadamente 0,92% en peso de alúmina. Estas fibras exhiben unas
excelentes características de contracción, como muestran los datos
de contracción de la tabla IVB, incluyendo la propiedad delta de
contracción, o la diferencia en la contracción entre un día y una
semana a la temperatura de servicio. Las fibras exhiben también una
solubilidad significativa en FPS, como demuestra la tabla IVB. Se
midieron solubilidades de 54 a más de 1450
ng/cm^{2}-h mediante la técnica descrita
anteriormente. (El "+" en la taba indica una velocidad de
disolución de la fibra extremadamente rápida que no es susceptible
de cálculo directo. El valor reseñado es el límite inferior de la
velocidad de disolución para la muestra).
Las fibras de vidrio refractarias con baja
contracción no estables de la presente invención se comparan
favorablemente con fibras cerámicas refractarias no estables de
caolín convencional, SAC y aluminosilicato en términos de
resistencia mecánica después de la exposición a la temperatura de
servicio. Las fibras de la presente invención se ensayan
generalmente en un intervalo comparable a las fibras de caolín para
el ensayo de resistencia a la compresión al 50% y el ensayo de
recuperación de la compresión. Las fibras de la presente invención
exhiben una resistencia mecánica significativamente mejorada, medida
como la resistencia a la compresión y recuperación de la compresión,
en comparación con la fibra de
titania-calcio-silicato del ejemplo
comparativo B.
La fibra de vidrio refractaria según la presente
invención, compuesta esencialmente de silicato de magnesio
modificado mediante la adición de porcentajes particulares de
circonia y, opcionalmente, aditivos modificadores de la viscosidad
tales como Al_{2}O_{3} y B_{2}O_{3}, y que exhiben una
microestructura granulada fina después de la exposición a
temperaturas de servicio de 1260ºC, es hasta 150 veces más soluble
en fluido pulmonar simulado que una fibra cerámica refractaria
estándar, y es capaz de soportar temperaturas mayores de 1000ºC,
hasta 1260ºC, con menos de 6% de contracción lineal.
Las fibras solubles en FPS de la presente
invención exhibieron una friabilidad después del servicio
significativamente reducida, es decir, una alta resistencia
mecánica, en comparación con las muy estables fibras de
aluminosilicato y
alúmina-circonia-silicato estables
en FPS. Las fibras de la presente invención exhiben generalmente una
microestructura fina, y exhiben una baja friabilidad y una alta
resistencia mecánica, así como una baja contracción tras la
exposición a la temperatura de servicio y una alta solubilidad en
FPS.
Por lo tanto, la fibra de la invención retiene
las características de uso beneficiosas de la fibra cerámica
refractaria convencional, tales como fibras de aluminosilicato, es
decir, experimentan una contracción limitada a altas temperaturas de
utilización. La fibra de vidrio refractaria de la invención se
contrae menos de aproximadamente 6% a una temperatura de utilización
de 1260ºC, y retiene una buena resistencia mecánica después del
servicio. La fibra de la invención exhibe una baja friabilidad
después del servicio, exhibiendo una microestructura a pequeña
escala o de grano fino después de la exposición inicial a la
temperatura de servicio, y una alta resistencia a la compresión y
recuperación de la compresión.
La fibra de la invención puede manufacturarse con
la tecnología de formación de fibras existente y conformarse en
múltiples productos, incluyendo pero sin limitación, capa perforada,
papel, fieltro y fibra bruta. Además de las ventajas de la fibra
cerámica refractaria convencional, la fibra de la invención es de 4
a 150 veces más soluble en el fluido pulmonar simulado, minimizando
así los problemas referentes a la inhalación de fibras.
Por tanto, los objetos de la invención se
consiguen mediante la presente invención, que no está limitada a las
realizaciones específicas descritas anteriormente, sino que incluye
variaciones, modificaciones y realizaciones equivalentes definidas
en las siguientes reivindicaciones.
Claims (12)
1.Una fibra de vidrio resistente a altas
temperaturas con baja contracción, caracterizada porque tiene
una temperatura de utilización de hasta al menos 1260ºC, mantiene
la integridad mecánica después de la exposición a dicha temperatura
y no es duradera en fluidos fisiológicos, y se caracteriza
adicionalmente por que dicha fibra
está constituida esencialmente por el producto de
formación de fibras de 65 a 86% en peso de sílice, 14 a 35% en peso
de magnesia, 0 a 11% en peso de circonia, menos de 1% en peso de
impurezas de óxido de calcio, menos de 0,4% en peso de impurezas de
óxido de hierro, calculadas como Fe_{2}O_{3}, sustancialmente
sin óxido de metal alcalino y un modificador de la viscosidad en una
cantidad eficaz para hacer el producto susceptible de formación de
fibras.
2. Una fibra según la reivindicación 1, en la que
dicho modificador de la viscosidad se selecciona de alúmina, óxido
de boro y mezclas de los mismos.
3. Una fibra según la reivindicación 2, en la que
la alúmina está presente en una cantidad de 0 a 3% en peso, y en la
que el óxido de boro está presente en una cantidad de 0 a 2% en
peso.
4. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, que contiene más de 70 a 86% en peso de
sílice.
5. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, constituida esencialmente por el producto de
más de 70 a 79% en peso de sílice, 20 a 29% en peso de magnesia, 1 a
5% en peso de circonia, 0 a 1,5% en peso de alúmina y 0 a 1% en peso
de óxido de boro.
6. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, constituida esencialmente por el producto de
71,5 a 73,5% en peso de sílice, 19 a 21,5% en peso de magnesia, 5 a
6% en peso de circonia, 0,5 a 2% en peso de alúmina y 0,2 a 1% en
peso de óxido de boro.
7. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, constituida esencialmente por el producto de
73,5% en peso de sílice, 23 a 26,5% en peso de magnesia y 0 a 3,5%
en peso de circonia.
8. Una fibra según la reivindicación 1, en la que
la circonia está presente en una cantidad eficaz para limitar el
tamaño del grano después de la temperatura de utilización.
9. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en la que la fibra exhibe tamaños del grano
de cristal de menos de 2 micrómetros (\mum).
10. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en la que la fibra exhibe una contracción de
menos de 4,5% a 1260ºC.
11. Una fibra según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en la que la fibra exhibe una solubilidad
de al menos 30 ng/cm^{2}-h cuando se expone en
forma de una muestra de 0,1 g a un flujo de 0,3 ml/min de fluido
pulmonar simulado a 37ºC.
12. Un procedimiento para la producción de una
fibra según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11,
caracterizada porque comprende formar una masa fundida de
los ingredientes y producir fibras a partir de la masa fundida
mediante hilado o soplado.
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