ES2200312T3 - Produccion de microesferas de vidrio revestidas con hidroxido de aluminio. - Google Patents
Produccion de microesferas de vidrio revestidas con hidroxido de aluminio.Info
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Abstract
La invención se refiere a un procedimiento de revestimiento de microesferas de vidrio con un hidróxido de aluminio que comprende el tratamiento hidrotérmico de una suspensión de iones Al{sup,3} complejados con microesferas de vidrio. Las microesferas de vidrio revestidas con hidróxido de aluminio pueden aplicarse en la producción de materiales plásticos reforzados con vidrio, por ejemplo, para utilizarlo en transporte de masas.
Description
Producción de microesferas de vidrio revestidas
con hidróxido de aluminio.
La presente invención proporciona un método para
el revestimiento de microesferas de vidrio con un hidróxido de
aluminio.
Las aplicaciones para las microesferas de vidrio
revestida con hidróxido de aluminio son, por ejemplo, en la
producción de materiales compuestos de plástico reforzados con
vidrio de peso ligero para usar en el transporte de masas.
El hidróxido de aluminio está bien establecido en
la industria del plástico como una carga libre de halógeno que se
usa para impartir propiedades pirroretardantes y supresoras del
humo a sistemas de resinas termoendurecibles sintéticas. Por otra
parte, la tendencia hacia requerimientos más estrictos sobre el
comportamiento de quemado de los plásticos significa una demanda
creciente de hidróxidos de aluminio que pueden incorporarse en los
plásticos a niveles de carga cada vez más altos. En los materiales
compuestos de poliéster insaturado reforzados con vidrio, por
ejemplo, no es poco común que el contenido de hidróxido de aluminio
del material compuesto sea >50% en peso.
En el transporte de masas, por ejemplo, es
posible alcanzar los requerimientos contra el fuego estrictos sobre
los materiales compuestos usando hidróxido de aluminio solo como
carga pirorretardante. Al mismo tiempo, sin embargo, la tendencia a
largo plazo en los materiales compuestos es hacia materiales
compuestos de peso más ligero que reducen costes de energía. En los
ferrocarriles, por ejemplo, menos peso significa una carga útil
incrementada para trenes de alta velocidad y menos desgaste y
roturas en los raíles.
El hidróxido de aluminio
(Al(OH)_{3}) tiene una densidad de 2,42 g/cm^{3}
que es considerablemente superior que los alrededor de 1,1
g/cm^{3} de una resina sintética. El uso de hidróxido de aluminio
por sí mismo aumenta por lo tanto la densidad y de ahí el peso
global del material compuesto final. Además, las fibras de vidrio
usadas para materiales compuestos estructurales contribuyen más a
un peso incrementado debido a la densidad aún superior de alrededor
de 2,6 g/cm^{3}.
Está bien establecida en la técnica la
incorporación de microesferas huecas de silicato de aluminio o
vidrio de borosilicato para disminuir el peso global de materiales
compuestos plásticos y mejorar sus características de aislamiento
térmico. Tales microesferas están disponibles en tamaños de
partículas que son similares a los del hidróxido de aluminio pero
tienen densidades en el intervalo de 0,1-1,0
g/cm^{3}, de modo que su incorporación en cantidades incluso
relativamente pequeñas puede proporcionar una reducción
significativa en el peso del material compuesto final. Sin embargo,
el problema cuando se usan microesferas de vidrio huecas es la
necesidad de mantener propiedades mecánicas aceptables del material
compuesto final. Esto es particularmente importante para materiales
compuestos plásticos estructurales. Sin embargo, las superficies
lisas bien redondeadas de las microesferas de vidrio huecas están en
contra de una "unión" eficaz ente la carga inorgánica y la
resina orgánica de modo que el uso de microesferas de vidrio huecas
generalmente está acompañado por un deterioro en las propiedades
físicas del material compuesto.
El objetivo de la presente invención es por lo
tanto evitar los problemas asociados con los métodos conocidos en
la técnica y desarrollar un método para aplicar un hidróxido de
aluminio directamente sobre la superficie de microesferas de vidrio
huecas.
El objetivo de la invención se alcanza con el
procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende las
etapas de
- a)
- añadir un agente complejante orgánico a una solución acuosa de una sal ácida de aluminio;
- b)
- elevar el pH de la solución hasta un valor de \geq9;
- c)
- añadir una cantidad predeterminada de dichas microesferas de vidrio a dicha solución para formar una suspensión;
- d)
- tratar hidrotérmicamente dicha suspensión en una atmósfera oxidante a de aproximadamente 150ºC a 350ºC; y
- e)
- separar las microesferas de vidrio revestidas con hidróxido de aluminio de la suspensión.
Se ha descubierto sorprendentemente que una
microesfera de vidrio revestida siguiendo el procedimiento de la
reivindicación 1 proporciona un revestimiento de hidróxido de
aluminio uniforme que permanece firmemente ligado a la superficie
subyacente de la microesferas de vidrio durante el procesamiento
adicional permitiendo de ese modo la incorporación en una resina
sintética de microesferas de vidrio revestidas con hidróxido de
aluminio con sus propiedades pirorretardantes asociadas y que
proporciona un sustrato para usar aditivos convencionales con
compatibilidad incrementada y refuerza la "unión" entre las
fases inorgánica y orgánica.
La figura 1 muestra una micrografía electrónica
de exploración de una apariencia típica de las microesferas de
vidrio revestidas con hidróxido de aluminio.
El hidróxido de aluminio preferido aplicado es el
hidróxido de aluminio de tipo boehmita (A1OOH) que cristaliza bajo
las condiciones usadas en el procedimiento de la presente invención
y se adhieren firmemente sobre el sustrato, es decir las
microesferas de vidrio.
Convenientemente, se usan microesferas huecas de
un vidrio de silicato de aluminio o un vidrio de borosilicato de
sosa y cal. Como ejemplos preferidos pero no limitativos de
microesferas de vidrio huecas, pueden mencionarse las microesferas
de vidrio FG- 200-7 (vidrio de silicato de aluminio)
de the Fillite Company y las K20 Scotchlite Glass Bubbles de the 3M
Company (vidrio de borosilicato).
La solución de partida preferida es una solución
acuosa de una sal ácida de aluminio, convenientemente seleccionada
del grupo que consiste en sulfato de aluminio, nitrato de aluminio
y cloruro de aluminio en los que los iones de Al^{3+} hidratados,
de acuerdo con la etapa a) de la reivindicación 1, se complejan
inicialmente y se estabilizan en solución mediante la adición de un
agente complejante orgánico. Preferiblemente, se aplican ácidos
orgánicos, tales como por ejemplo ácido glucónico, ácido tartárico,
ácido cítrico y ácido oxálico, habitualmente antes de elevar el pH
de la solución hasta el intervalo alcalino.
De acuerdo con la etapa b) de la reivindicación
1, el pH de la solución se eleva a continuación hasta un valor de
\geq 9, preferiblemente hasta aproximadamente 11, mediante la
adición de una base inorgánica,
seleccionada preferiblemente del grupo que consiste en hidróxido sódico, hidróxido potásico o en una solución acuosa de amoníaco.
seleccionada preferiblemente del grupo que consiste en hidróxido sódico, hidróxido potásico o en una solución acuosa de amoníaco.
Subsiguientemente, de acuerdo con la etapa c) de
la reivindicación 1, se añade una cantidad predeterminada de las
microesferas de vidrio para formar una suspensión. Como norma, tal
cantidad se añade de modo que se alcance una concentración de 50 a
100 g/l.
El tratamiento hidrotérmico de acuerdo con la
etapa d) de la reivindicación 1 se efectúa a continuación
habitualmente en un autoclave. Dentro de este tratamiento
hidrotérmico, realizado a temperaras de aproximadamente 150ºC a
350ºC, preferiblemente a 250ºC, se degrada oxidativamente el
complejo del agente complejante orgánico con los iones Al^{3+}
hidratados. Para apoyar esta degradación oxidativa, se añade
preferiblemente oxígeno o un gas que contiene oxígeno durante la
reacción hidrotérmica.
A medida que los complejos de Al^{3+} se
descomponen, los iones aluminio liberados cristalizan en solución
en forma de boehmita a la misma temperatura elevada. La boehmita
cristalina se deposita directamente sobre las superficies de las
microesferas de vidrio.
Variando el pH de la solución de cristalización,
como norma en el intervalo de 10 a 12, la concentración de
aluminio, la naturaleza del agente complejante y/o la cantidad de
oxígeno usada, puede ejercerse una influencia sobre el tamaño de
partícula de la boehmita y de ahí el grosor del revestimiento.
Aunque los cuatro parámetros pueden afectar al
tamaño de partícula de la boehmita, sólo la cantidad de oxígeno es
de una significación principal, es decir, cuando se usa oxígeno. A
un pH, una temperatura de trabajo y un agente complejante
predeterminados, incrementar la cantidad de oxígeno usado como norma
disminuye el tamaño medio de las partículas de boehmita debido a
liberación inicial más rápida de iones aluminio para la
cristalización. A la inversa, disminuir la cantidad de oxígeno como
norma incrementa el tamaño medio de las partículas de boehmita.
La separación de las microesferas de vidrio
revestidas con hidróxido de aluminio de la suspensión, de acuerdo
con la etapa e) de la reivindicación 1, puede efectuarse mediante
métodos conocidos por los expertos en la técnica.
El revestimiento puede variarse en su grosor y se
adhiere firmemente a la superficie subyacente durante el manejo y
el procesamiento subsiguientes en resinas sintéticas. El
revestimiento de hidróxido de aluminio imparte propiedades
pirorretardantes a las microesferas de vidrio además de
proporcionar un sustrato para la construcción de puentes eficaz
entre la carga y el sistema de resina orgánica.
La presente invención se ilustrará ahora con
detalle con referencia a los siguientes ejemplos, que sin embargo
no debe interpretarse que sean limitativos del alcance de la
invención.
Una solución de reserva (2 l) de sulfato de
aluminio 0,45 M se preparó a temperatura ambiente disolviéndose 600
g de Al_{2}(SO_{4})_{3}.18 H_{2}O en agua
desionizada. Se añadieron 500 ml de ácido tartárico 1,5 M a 500 ml
de la solución de reserva en un vaso de precipitados de vidrio de 2
litros de capacidad, con agitación, usando un agitador magnético.
Al torbellino creado por el agitador se vertió NaOH 10 M hasta que
el pH de la solución resultante alcanzaba 11,2. Se añadieron 80 g
de microesferas de vidrio (clase
FG-200-7; Fillite) a una parte
alícuota de 1 litro de esta solución y el total se transfirió a un
autoclave Inconel de 3 litros de capacidad equipado con un serpentín
interno para el calentamiento y el enfriamiento rápido. Las
microesferas de vidrio tenían una densidad de alrededor de 0,5
g/cm^{3} y variaban en tamaño de partícula hasta un máximo de
alrededor de 150 \mum.
La agitación del contenido del autoclave se
proporcionó mediante un agitador magnético permanente equipado con
una turbina de seis álabes y que funcionaba a 330 rpm. El autoclave
se cerró a continuación y se introdujo oxígeno gaseoso a 25ºC hasta
una presión parcial de 10 x 10^{5} Pa. El autoclave y el contenido
se calentaron hasta 250ºC y se mantuvieron a esta temperatura
durante 60 minutos.
Al enfriar de nuevo hasta condiciones de presión
y temperatura atmosféricas, la suspensión se retiró del autoclave y
los sólidos se filtraron, se lavaron con agua desionizada caliente
y se secaron a 110ºC. El pH del licor filtrado era alrededor de 7,9
y estaba compuesto principalmente por sulfato sódico (alrededor de
45 g/l de sulfato) y las sales sódicas de los productos de
degradación carbonosos orgánicos.
El producto secado era microesferas de vidrio
revestidas con boehmita y pesaba 100,1 g. La densidad de las
microesferas de vidrio huecas de material compuesto de hidróxido de
aluminio era 1,00 g/cm^{3}. La difracción de rayos X conformaba
que el revestimiento de hidróxido de aluminio cristalino era
boehmita. El incremento en el tamaño de partícula medio indicaba un
grosor de la capa de boehmita de alrededor de 1 \mum. Los
análisis por microscopio electrónico de exploración y EDAX indicaban
que la boehmita está depositada uniformemente sobre las superficies
de las microesferas.
El revestimiento de boehmita es de naturaleza
altamente policristalina con los cristales de boehmita creciendo
internamente y orientados aleatoriamente sobre las superficies de
las microesferas. La adherencia de la boehmita a las superficies
subyacentes de las microesferas era suficientemente fuerte para
sobrevivir a un tratamiento térmico a 100ºC durante 60 minutos en
el que la boehmita se calcinaba hasta óxido de aluminio de una
densidad de alrededor de 3,95 g/cm^{3}.
Se repitió el procedimiento experimental del
Ejemplo 1, con la diferencia de que el sistema se sembró con
microesferas de vidrio huecas de borosilicato (K20, Scotchlite
Glass Bubbles, 3M) que tenían una densidad de 0,20 g/cm^{3} y
variaban en tamaño de partícula hasta un máximo de alrededor de 90
\mum. El producto secado era microesferas de vidrio revestidas
con boehmita y pesaba 100,2 g. La densidad de estas microesferas de
vidrio huecas combinadas con hidróxido de aluminio era 0,76
g/cm^{3}. El análisis del tamaño de partícula indicaba que el
grosor del revestimiento de boehmita era del orden de
0,1-1,0 \mum.
Claims (11)
1. Procedimiento para el revestimiento de
microesferas de vidrio con un hidróxido de aluminio, que comprende
las etapas de
- a)
- añadir un agente complejante orgánico a una solución acuosa de una sal ácida de aluminio;
- b)
- elevar el pH de la solución hasta un valor de \geq9;
- c)
- añadir una cantidad predeterminada de dichas microesferas de vidrio a dicha solución para formar una suspensión;
- d)
- tratar hidrotérmicamente dicha suspensión a de aproximadamente 150ºC a 350ºC; y
- e)
- separar las microesferas de vidrio revestidas con hidróxido de aluminio de la suspensión.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque el hidróxido de aluminio aplicado es
un hidróxido de aluminio de tipo boehmita.
3. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque se usan
microesferas huecas de un vidrio de silicato de aluminio o un vidrio
de borosilicato.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la sal ácida de
aluminio se selecciona del grupo que consiste en sulfato de
aluminio, nitrato de aluminio y cloruro de aluminio.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el agente
complejante orgánico es un ácido orgánico.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
5, caracterizado porque el ácido orgánico se selecciona del
grupo que consiste en ácido glucónico, ácido tartárico, ácido
cítrico y ácido oxálico.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la elevación
del pH en la etapa b) se efectúa añadiendo a dicha solución una
base inorgánica.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
7, caracterizado porque la base inorgánica se selecciona del
grupo que consiste en hidróxido sódico, hidróxido potásico o en una
solución acuosa de amoníaco.
9. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las
microesferas de vidrio se añaden en tal cantidad a dicha solución
que se alcanza una concentración de 50 a 100 g/l.
10. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el tratamiento
hidrotérmico en la etapa d) se efectúa en presencia de oxígeno o un
gas que contiene oxígeno.
11. Microesferas revestidas con hidróxido de
aluminio de tipo boehmita obtenibles de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 10.
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