ES2224975T3 - Compuesto de vidrio libre de boro y medio de filtracion. - Google Patents
Compuesto de vidrio libre de boro y medio de filtracion.Info
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Abstract
Compuesto de vidrio sustancialmente libre de boro que comprende los siguientes componentes en porcentaje molar: 62-68% SiO2 2-6% Al2O3 10-16% Na2O 0-6% K2O 3-10% CaO 0-8% MgO 0-3% BaO 2-6% ZnO 0-2% TiO2 0-2% F2 en el que la cantidad total de Na2O y K2O es menor de un 18% molar y en el que el compuesto además contiene Li2O en una cantidad no mayor de un 8% molar y en una cantidad suficiente para mantener la HTV del compuesto de vidrio entre 1010ºC (1850ºF) y 1204ºC (2200ºF), estando la temperatura de fase vítrea del compuesto de vidrio, como mínimo, 139ºC (250ºF) por debajo de dicha HTV, definiendo dicha HTV como la temperatura a la que la viscosidad del vidrio es 100 Paus (1000 pises).
Description
Compuesto de vidrio libre de boro y medio de
filtración.
Esta invención se refiere a un compuesto de
vidrio sustancialmente libre de boro, un medio de filtración de aire
HEPA de fibra de vidrio sustancialmente libre de boro y un proceso
para la fabricación de medios de vidrio sustancialmente libres de
boro, adecuados para el uso en equipos de filtración de aire HEPA.
Por consiguiente, esta invención es apropiada a compuestos de vidrio
con combinaciones únicas de propiedades que son especialmente útiles
para filtros de sala limpia de fibra de vidrio de alta eficiencia,
especialmente filtros para salas limpias de microelectrónica donde
se debe evitar la contaminación por boro de los chips de los
circuitos integrados electrónicos. Tales filtros se refieren aquí
como filtros de Partículas de Aire de Alta Eficiencia o filtros
"HEPA". Los compuestos de vidrio de la presente invención están
sustancialmente libres de boro en el sentido de que no se añade
intencionadamente óxido de boro (B_{2}O_{3}) a los compuestos de
vidrio como un ingrediente y que el boro está presente sólo en
cantidades insignificantes o trazas.
Desde hace muchos años, se conocen productos de
fibra de vidrio de diámetro fino destinados a uso final como filtros
de sala limpia HEPA, como por ejemplo, los productos de fibra de
vidrio comercializados por Johns Manville International Inc. bajo la
marca comercial MICROFIBER. Estos filtros de sala limpia HEPA
(compárese Patente U.S. No. 5.728.187) se utilizan en la industria
médica, farmacéutica y microelectrónica en puntos donde se requiere
aire ultra puro. Recientemente, en la industria microelectrónica, un
problema en particular ha visto la luz ya que los circuitos con
chips han evolucionado hacia la nanoescala. Se descubrió que los
vapores de boro, procedentes de los filtros HEPA de fibra de vidrio,
estaban implicados como fuente de los defectos encontrados en tales
componentes microelectrónicos. En consecuencia, ha resultado de
vital importancia inventar composiciones de vidrio con bajo
contenido en boro para así dar un mejor servicio al mercado de esta
especialidad. Como se usa aquí, los términos "bajo en boro" y
"sustancialmente libre de boro" significan que no se añade boro
intencionadamente a la composición en la fabricación de vidrio.
Algunas materias primas para la fabricación de vidrio contienen
trazas de óxido de boro (B_{2}O_{3}) como contaminante de nivel
bajo, pero la intención en los vidrios con bajo contenido en boro es
mantener el nivel de boro tan bajo como a la práctica sea
posible.
Los productos de filtración HEPA se fabrican
generalmente mediante el procesado de fibras de vidrio muy finas a
través de un equipo de fabricación de papel específico para
conseguir una lámina de medio fibra de vidrio conocido como
"papel" de fibra de vidrio. Este equipo utiliza un proceso
húmedo en el que una solución acuosa conocida en la industria como
"agua blanca" se mantiene bajo condiciones específicas, que son
necesarias para conseguir la dispersión requerida de las fibras
presentes. En particular, el agua blanca se controla frecuentemente
en unas condiciones bajas de pH de 2,5. Esta condición permite
obtener una dispersión buena de la fibra, así como una unión
aceptable entre las fibras dando al papel resultante, de este modo,
una fuerza adecuada. Las fibras deben tener unos niveles
equilibrados y apropiados de resistencia al ataque de ácidos para
dar un nivel de unión suficiente para formar una estructura de papel
adecuada. El ataque con una pequeña cantidad de ácido provocará
uniones inadecuadas dando lugar a papeles débiles. El ataque con una
gran cantidad de ácido provocará una excesiva disolución dando
lugar a fibras débiles. Además, los papeles se harán más débiles con
el tiempo, a menos que tengan una resistencia adecuada al ataque de
la humedad. En particular, los filtros HEPA requieren que el papel
de fibra de vidrio se pliegue para obtener áreas de superficie de
filtración elevadas en un volumen pequeño. Si el papel, después del
almacenamiento, es quebradizo o débil, durante el plegado se romperá
y por tanto no servirá para el filtro.
El vidrio con boro convencional es un habitual de
la industria para la fabricación de microfibras adecuadas para los
filtros HEPA. Por ejemplo, el vidrio JM-475
fabricado por Johns Manville International Inc. contiene niveles
significativos de B_{2}O_{3} (sobre un 10% en peso), lo cual
hace que este compuesto de vidrio no sea deseable para el uso en
filtros destinados a salas limpias de semiconductores. Este vidrio
tiene una viscosidad suficientemente baja para conseguir una
velocidad de producción de fibra de vidrio razonable y permitir el
uso de superaleaciones de alta temperatura, como moldes o materiales
para recipientes, en lugar de utilizar aleaciones de metales
preciosos muy caros (aleación Pt-Rh). También se ha
descubierto que, durante el proceso de fibración por estirado a la
llama, utilizado para obtener el diámetro fino preferido de las
fibras de vidrio, se forma un "armazón" de alta duración en la
superficie de la fibra de vidrio como consecuencia de la
volatilización de óxido alcalino (R_{2}O) y B_{2}O_{3} de la
superficie de la fibra, más probablemente en la forma de metaborato
alcalino. Se cree que la formación de este armazón duradero es una
de las principales razones de que el vidrio con boro tenga la
deseada combinación de propiedades que se requieren para un medio de
filtración HEPA, tales como una relativamente baja Viscosidad a
Temperatura Elevada "HTV" para la fibración, definida como la
temperatura a la que la viscosidad del vidrio es de 100 Pa\cdots
(1000 poises), una durabilidad química apropiada contra el ataque de
ácidos para el proceso de fabricación del papel, y una excelente
resistencia contra el envejecimiento por la humedad.
Desafortunadamente, se ha descubierto que tal
armazón duradero no se forma en la superficie de las fibras de
vidrio con bajo contenido en boro durante el proceso de fibración
por estirado a la llama. Sin la ventaja de la formación de este
armazón duradero, el vidrio con bajo contenido en boro debe poseer,
como su propiedad principal, una alta durabilidad frente al ataque
de ácidos y humedad. Esto se puede llevar a cabo mediante el aumento
significativo del nivel SiO_{2} y Al_{2}O_{3} en la
composición del vidrio, que desafortunadamente conlleva una mayor
viscosidad del vidrio. Las composiciones de vidrio con bajo
contenido en boro que están disponibles comercialmente en estos
momentos tienen una viscosidad significativamente mayor que la
deseada para el coste efectivo de la fabricación de la fibra de
vidrio. Generalmente, la HTV para estas composiciones es mayor de
2190ºF (1199ºC). Además, su resistencia a la humedad es generalmente
un tanto inferior que en el caso de fibras de vidrio convencionales
de filtración HEPA con boro, como el vidrio
JM-475.
Desde que hace tiempo el boro se consideró como
un contaminante del aire y del agua que se libera de los compuestos
de vidrio durante el proceso de fabricación del vidrio, numerosos
esfuerzos se han hecho en el pasado para proporcionar compuestos de
vidrio sustancialmente libres de boro para la fabricación de fibras
de vidrio (ver por ejemplo EP 0516354 A1). A pesar de que en
técnicas anteriores se describen compuestos de vidrio fibrables
libres de boro en conexión con diferentes usos de tales fibras,
incluyendo su uso en filtros HEPA (compárese JP
11-29344 A) y como sustrato para el crecimiento de
las plantas (compárese FR 2682556 A1), estos compuestos no son
ideales para fabricar fibras adecuadas para filtros HEPA. Por
ejemplo, los compuestos de vidrio libres de boro descritos en
Erickson y otros, Patente U.S. Nos. 3.847.626; 3.847.627; 3.876.481
y 4.026.715; Clark-Monks, Patente U.S. No.
3.929.497; Neely, Patente U.S. No. 4.199.364; Sproull, Patente U.S.
No. 4.542.106 y Eastes y otros, Patente U.S. No. 5.789.329,
contienen más de las cantidades óptimas de Al_{2}O_{3}, que es
parcialmente soluble en el agua blanca ácida utilizada en el equipo
de fabricación de papel específico. Ciertos compuestos de vidrio
libres de boro descritos por Wranau y otros, Patente U.S. No.
3.095.311 y Breton, Patente U.S. No. 3.600.205 tienen cantidades
inferiores de Al_{2}O_{3}, pero contienen menos de las
cantidades óptimas de SiO_{2}, que afecta adversamente la
durabilidad de las fibras contra el ataque del ácido y la humedad a
los que están expuestos cuando se usa como medio de filtración HEPA.
Los compuestos de vidrio disponibles comercialmente de Evanite y
Fibron (Laushar) tienen composiciones altas en sílica y bajas en
boro, pero tienen fase vítrea y viscosidades de elevada temperatura
que no son adecuadas para la producción eficiente de fibras de
vidrio finas requeridas para el uso en filtros HEPA.
Es bastante desafiante la obtención de
composiciones de vidrio, de muy bajo contenido en boro, que permitan
obtener fibras de vidrio con una resistencia apropiada al ataque de
ácidos y una resistencia adecuada a la humedad. Esto es
especialmente cierto cuando también se requiere que los vidrios
tengan valores apropiados para la viscosidad y las temperaturas de
fase vítrea para satisfacer las necesidades de la fabricación de
fibra de vidrio comercial de diámetro fino. Por tanto, se desean
enormemente compuestos de vidrio libres de boro mejorados adecuados
para la fabricación eficiente de fibras para el uso en filtros
HEPA.
Este objetivo se consigue mediante un compuesto
de vidrio sustancialmente libre de boro como se define en la
reivindicación 1, así como un medio de filtración de aire HEPA de
fibra de vidrio sustancialmente libre de boro y un proceso para la
fabricación del mismo como se define en las reivindicaciones 6 y 12,
respectivamente. Por tanto, el medio de filtración inventado como
se expone en la reivindicación 6 comprende papel de fibras de
vidrio, la composición de la cual es 60-70%
SiO_{2}, 1-7% Al_{2}O_{3},
8-19% Na_{2}O, 0-6% K_{2}O (en
la que la suma de Na_{2}O y K_{2}O es menor de un 20%),
3-10% CaO, 0-10% MgO,
0-4% BaO, 0-8% ZnO,
0-4% TiO_{2} y 0-2% F_{2},
además de contener Li_{2}O en una cantidad no mayor del 8%, todas
ellas expresadas en porcentaje molar del compuesto de vidrio. El
compuesto de vidrio inventado expuesto en la reivindicación 1
comprende 62-68% SiO_{2}, 2-6%
Al_{2}O_{3}, 10-16% Na_{2}O,
0-6%K_{2}O, (en la que la suma de Na_{2}O y
K_{2}O es menor de un 18%), 0-6% Li_{2}O,
3-10% CaO, 0-8% MgO,
0-3% BaO, 2-6% ZnO,
0-2% TiO_{2} y 0-2% F_{2}.
Los compuestos de vidrio de la presente invención
están particularmente adaptados para proporcionar un medio de fibra
de vidrio que es útil en la fabricación de sistemas de filtración
de aire HEPA para instalaciones de sala limpia. Los medios HEPA de
vidrio se hacen de una mezcla de fibras de vidrio de diámetro fino
que varía de 0,2 a 2 micras. Estos productos son evaluados por
valores de eficiencia de filtración elevados a la vez que se
mantiene razonablemente las características de una caída baja de
presión.
Las composiciones de vidrio utilizadas para
producir fibras de diámetro fino de acuerdo con esta invención
tienen niveles insignificantes de óxido de boro y están
caracterizados como "sustancialmente libres de boro", es decir,
contienen sólo niveles traza de B_{2}O_{3} introducidos no
intencionadamente. De este modo, los niveles típicos de
B_{2}O_{3} en los vidrios de la presente invención son
inferiores a 500 ppm en peso.
Las fibras y el compuesto de vidrio de la
presente invención muestran una estabilidad en ambientes ácidos
húmedos y una resistencia al ataque de la humedad durante el
almacenaje bajo condiciones ambientales húmedas, que son dos
propiedades importantes de las fibras de vidrio utilizadas en las
aplicaciones de filtración HEPA. Además, el vidrio de la presente
invención tiene unas propiedades de viscosidad y temperatura de fase
vítrea que son compatibles con las tecnologías de fabricación de
fibra de vidrio utilizadas para producir fibras de diámetro fino,
particularmente con los procesos por estirado a la llama.
El proceso de fabricación del papel específico
utilizado para fabricar medios HEPA implica dispersar las fibras de
vidrio en una suspensión ácida conocida como "agua blanca" por
los fabricantes de papel. Como se describió anteriormente, las
fibras de vidrio adecuadas para los filtros HEPA deben tener
propiedades que les permitan funcionar adecuadamente en este
ambiente. Se realiza una simulación para el proceso completo de la
fabricación de papel basado en la fabricación de "láminas" a
partir de fibras de vidrio, con una media de los diámetros de la
fibra de 0,7 micras, y preparadas a partir de varios compuestos de
vidrio de prueba evaluados. Estas láminas son un sustituto de los
papeles específicos preparados comercialmente. Se cortan muestras de
las láminas para una prueba de tracción y se evalúa la fuerza de
tracción en función del tiempo de exposición bajo condiciones
controladas de humedad. Generalmente, se realizan pruebas de fuerza
de tracción, tanto recta como plegada, ésta última utilizada para
simular la operación de plegado en la fabricación del filtro. El
tamaño y la cantidad, así como la naturaleza, de los "enlaces
ácidos" formados durante el proceso de papel blanco húmedo
determina la fuerza de tracción de las láminas de papel de fibra de
vidrio producidas en el equipo de fabricación de papel específico.
Es deseable que se forme una capa pegajosa de gel de hidrosílica en
la superficie de la fibra durante el proceso de papel blanco húmedo
como resultado del ataque de un ácido débil, generalmente por
soluciones de H_{2}SO_{4} de pH 2,0 - pH 3,0. En las uniones de
la fibra, estas capas de gel de hidrosílica promueven la
composición de enlaces deseables entre las fibras de vidrio para dar
una buena fuerza mecánica a las láminas o los papeles.
La fuerza de tracción recta (exposición de
humedad 0) debería correlacionarse bien con el nivel de iones
extraídos de las fibras por el agua blanca ácida. Si las fibras
liberan una cantidad de iones demasiado pequeña, el enlace entre las
fibras es débil y la fuerza de tracción inicial es demasiado baja.
Si las fibras son atacadas muy severamente, las fibras se debilitan
y se rompen fácilmente, con una consiguiente lámina de fuerza de
tracción, otra vez, demasiado baja. Por tanto, como se determina por
los resultados de las pruebas en láminas, los compuestos de vidrio
aceptables para HEPA pueden estar caracterizados por un nivel óptimo
de resistencia de la fibra al ataque por agua blanca
ácida.
ácida.
La siguiente prueba de laboratorio se desarrolló
para simular la disolución que las fibras de vidrio experimentan en
el agua blanca del fabricante de papel: 0,2 gramos de fibras se
exponen a 100 ml de una solución de ácido sulfúrico de pH 2,50
durante una hora a temperatura ambiente. La solución resultante se
analiza mediante Plasma Inducido por Alta Frecuencia "ICP", y
los iones disueltos se miden en partes por billón (ppb). Después de
medir la distribución de diámetro de fibra de las fibras y calcular
su área superficial por gramo, o alternativamente, medir el área
superficial por el método BET (un método conocido y ampliamente
utilizado para medir áreas superficiales), se pueden comparar los
resultados de la disolución en ácido de varios compuestos de fibras
por normalización a un área superficial común. Se utilizó un área
superficial normalizada de 2,0 m^{2}/g. Las composiciones de
vidrio experimentales se pueden comparar con los resultados
obtenidos para un vidrio con boro convencional, tal como el vidrio
JM-475, como un criterio sobre su idoneidad para
medios de filtración HEPA.
Después de la exposición a condiciones de
fabricación de papel ácidas, los papeles de fibra de vidrio
resultantes deben soportar la humedad atmosférica durante la
fabricación del filtro y el posterior servicio como medio de
filtración. Se han utilizado una serie de aproximaciones para
evaluar la resistencia de una fibra de vidrio a ambientes húmedos.
Un criterio usado normalmente es una prueba de durabilidad en agua
donde se determina la pérdida de peso de la fibra cuando se expone a
agua a 205ºF (96ºC) durante 24 horas. Otra prueba que se utiliza
algunas veces implica la evaluación de la pérdida de fuerza de una
fibra en función del tiempo de envejecimiento en un ambiente húmedo.
Este resultado se puede caracterizar mediante la medida del descenso
en la fuerza de tracción en función del tiempo de exposición a la
humedad (referido como "envejecimiento por humedad"). En la
prueba de envejecimiento por humedad, se fabricaron láminas de
papeles a partir de fibras de vidrio con un diámetro medio de 0,65
micras. A continuación, se envejecieron las muestras de láminas en
una cámara de humedad a 35ºC (95 F) y un 90% de humedad relativa.
Las pruebas de tracción se llevaron a cabo en muestras envejecidas
durante diferentes periodos de tiempo para determinar el
comportamiento de estas fibras. Las pruebas de tracción consisten en
pruebas sobre muestras rectas y plegadas. Los medios de fibra de
vidrio de la presente invención tienen una fuerza de tracción
inicial recta y plegada de 71,4 kg/m (4 lbs/in) y 35,7 kg/m (2
lbs/in), respectivamente, y menos de un 40% de pérdida de la fuerza
de tracción después de una semana de envejecimiento. Se prefiere una
prueba de envejecimiento por humedad porque representa mejor las
condiciones comercialmente importantes.
Los compuestos de vidrio de la presente invención
tienen propiedades que les permiten ser fibrados mediante procesos
de estirado a la llama convencionales conocidos en el campo de la
fabricación del vidrio. Se prefieren tales procesos porque producen
fibras de vidrio de diámetro fino requeridas para la filtración de
aire HEPA. En algunos casos, sin embargo, mediante tecnologías
convencionales de fibración rotatoria, se producen fibras
ligeramente más gruesas frecuentemente utilizadas en combinación con
fibras finas en algunos filtros de aire. Por tanto, los compuestos
de vidrio preferidos de esta invención se pueden utilizar en ambos
procesos. Específicamente, los vidrios de la presente invención
tienen una viscosidad que es suficientemente baja a las temperaturas
de fibración para llevar a acabo velocidades de fibración razonables
y eficiencias en los procesos de estirado a la llama y para evitar
el uso de aleaciones caras de metales preciosos (generalmente
aleación Pt-Ir) como moldes o materiales para
recipientes o girato-
rios.
rios.
Las fibras preferidas para el medio de filtración
HEPA de la presente invención son las fibras estiradas a la llama.
Estas fibras se forman mediante la extracción de filamentos de
vidrio primarios continuos de una cubeta, barra o crisol y la
introducción de estos filamentos de vidrio primarios continuos en
una corriente de gas de alta energía en un horno de estirado a la
llama, tal como un horno Selas, en el que los filamentos continuos
se recalientan, se estiran y conforman en grapas de diámetro fino o
fibras de vidrio de longitud finita del diámetro deseado.
Los vidrios de la presente invención tienen,
preferiblemente, una HTV menor de 1204ºC (2200ºF), e idealmente
menor de 1093ºC (2000ºF) para que puedan ser adecuados para el
estirado a la llama. Vidrios con valores de HTV mayores de 1204ºC
(2200ºF), generalmente, se procesan de manera ineficiente en los
procesos de estirado a la llama a bajas velocidades de producción
con el uso de aleaciones de Pt-Rh como materiales
para moldes. Como se observó anteriormente, también es deseable para
el mismo vidrio que se comporte adecuadamente en procesos
rotatorios, en los que las temperaturas de operación típicas son
frecuentemente menores que las de estirado a la llama. Por tanto, la
HTV para los vidrios de la presente invención puede estar alrededor
o incluso por debajo de 1038ºC (1900ºF), de manera que son
adecuados para usar en procesos de fibración rotatoria. Sin embargo,
los vidrios preferidos con valores mayores de HTV se aceptan
frecuentemente en fibraciones rotatorias a velocidades de producción
relativamente reducidas. El compuesto de vidrio más preferido de la
presente invención tiene una HTV de entre 1010ºC (1850ºF) y 1177ºC
(2150ºF).
Además, los compuestos de vidrio de la presente
invención también tienen una temperatura de fase vítrea de, como
mínimo, 44ºC (80ºF) menos que la HTV, de manera que el compuesto es,
como mínimo, adecuado para los procesos de fibración rotatoria. Los
compuestos de vidrio preferidos tienen una temperatura de fase
vítrea que está, como mínimo, 83ºC (150ºF) por debajo de la HTV, más
preferiblemente de 139ºC (250ºF) a 167ºC (300ºF) por debajo de la
HTV, para así evitar los problemas de desvitrificación
(cristalización) durante los procesos no rotatorios, crisol o
mármol, u otros procesos de fibración por estirado a la llama.
Las composiciones de vidrio de la presente
invención dan como resultado vidrios de filtración HEPA con bajo
contenido en boro que poseen las propiedades únicas que cumplen
estos criterios generales para la fibración utilizando procesos
rotatorios convencionales y de estirado a la llama y para las
demandas del proceso de fabricación de papel. Estas propiedades son
el resultado de nuevas combinaciones de los componentes de los
compuestos de vidrio de la presente invención. Como se describió
brevemente antes, en sus aspectos más amplios, el medio de
filtración de la invención comprende papel de fibras de vidrio que
comprende 60-70% SiO_{2}, 1-7%
Al_{2}O_{3}, 8-19% Na_{2}O,
0-6%K_{2}O (en la que la suma de Na_{2}O y
K_{2}O es menor de un 20%), > 0-8% Li_{2}O,
3-10% CaO, 0-10% MgO,
0-4% BaO, 0-8% ZnO,
0-4% TiO_{2} y 0-2% F_{2}, todas
ellas expresadas como porcentaje molar del compuesto de vidrio. De
acuerdo con otro aspecto de la invención, el compuesto de vidrio y
las fibras comprenden 62-68% SiO_{2},
2-6% Al_{2}O_{3}, 10-16%
Na_{2}O, 0-6% K_{2}O, (en la que la suma de
Na_{2}O y K_{2}O es menor de un 18%), > 0-8%
Li_{2}O, 3-10% CaO, 0-8% MgO,
0-3% BaO, 2-6% ZnO,
0-2% TiO_{2} y 0-2% F_{2}, con
un intervalo preferido para el contenido de Li_{2}O
> 0-6%.
> 0-6%.
En la práctica de esta invención, la
concentración de SiO_{2} es mayor que un 60% molar para asegurar
una estructura reticular de vidrio con un alto grado de
entrecruzamiento para una adecuada durabilidad química contra el
ataque de ácido y humedad. Sin embargo, niveles de SiO_{2} mayores
del 70% molar probablemente comportará una viscosidad del vidrio
demasiado alta, y por lo tanto no se prefiere.
En general, incrementar el nivel de
Al_{2}O_{3} incrementa la resistencia a la humedad, pero el
Al_{2}O_{3} es parcialmente soluble en ácido y conlleva un
fuerte aumento de la viscosidad del vidrio. Se ha descubierto, de
acuerdo con esta invención, que la resistencia a la humedad de un
vidrio aumenta muy fuertemente por debajo de un valor del 3% molar,
pero un mayor aumento del Al_{2}O_{3} tendrá un efecto menor.
Por tanto, los compuestos de esta invención contienen un
1-7% molar de Al_{2}O_{3}, y preferiblemente un
2-6% molar de Al_{2}O_{3}, para obtener el
mejor compromiso entre una buena durabilidad en ácido, una buena
resistencia a la humedad, y una viscosidad razonablemente baja.
El uso de flúor puede reducir significativamente
la resistencia al ácido, pero su fuerte efecto sobre la disminución
de la viscosidad del vidrio lo hace útil en las composiciones de
vidrio preferidas de la presente invención. Además, se ha observado
que, la sustitución de pequeñas cantidades de flúor por Na_{2}O y
K_{2}O en composiciones de vidrio convencionales, es decir, un
nivel inferior a un 2% molar de F_{2}, puede ser beneficioso para
la resistencia a la humedad de ciertos vidrios de la presente
invención.
Se observó que el TiO_{2} mejora la resistencia
al ácido mucho más que el SiO_{2}, mientras que disminuye la
viscosidad cuando es sustituido por SiO_{2} en composiciones de
vidrio convencionales. Desafortunadamente, también se descubrió que
el TiO_{2} puede cambiar el mecanismo de disolución de la fibra de
vidrio en agua blanca desde un proceso predominantemente de
intercambio iónico a una disolución más congruente, con lo cual, se
dificulta la formación de la capa "pegajosa" de gel de
hidrasílica sobre la superficie de la fibra. De esta manera, se cree
que la formación de esta capa de hidragel es importante para
provocar los enlaces fuertes de ácido en las uniones de las fibras.
Además, la capacidad de usar TiO_{2} para mejorar las propiedades
en vidrios silicados está limitada porque tiende a incrementar la
temperatura de fase vítrea del vidrio y provocar la formación de
cristal. Por tanto, es preferible limitar el TiO_{2} por debajo
del 4% molar, y preferiblemente por debajo del 2% molar.
Se sabe en la industria que RO (en el que R es Ca
o Mg) es útil para disminuir la viscosidad del vidrio a la vez que
se mejora la durabilidad química. Se ha descubierto, de acuerdo con
esta invención, que el MgO a un nivel de 0-10%
molar, preferiblemente 0-8% molar, es más efectivo
en la mejora de la durabilidad química del vidrio que el CaO. Sin
embargo, el CaO puede ayudar a provocar la formación de enlaces de
ácido en los papeles de fibra de vidrio y está, por tanto, presente
en las composiciones de la presente invención en niveles del
3-10% molar.
Previamente se conocía que el ZnO presenta la
deseable influencia de incrementar la resistencia a la humedad a la
vez que ejerce una influencia en la viscosidad similar al MgO.
Además, ahora, sorprendentemente, se ha descubierto que el ZnO no
comporta un indeseable incremento en la fase vítrea. El ZnO está
presente en las composiciones de vidrio de la presente invención en
unos niveles menores del 10% molar, y las composiciones preferidas
contienen un 2-6% molar de ZnO.
También se ha descubierto que el Li_{2}O,
cuando se utiliza para sustituir parcialmente el Na_{2}O y el
K_{2}O en composiciones de vidrio convencional, puede reducir
significativamente la viscosidad del vidrio a la vez que mejora la
resistencia del vidrio contra el ataque de ácido y humedad. También
se ha descubierto que el uso de Li_{2}O no influirá adversamente
en la formación del enlace ácido. Sin embargo, el Li_{2}O es
relativamente caro y puede provocar la desvitrificación cuando se
utiliza en cantidades elevadas. Por consiguiente, el Li_{2}O está
presente en las composiciones de vidrio de la presente invención en
niveles menores de 8% molar, y preferiblemente menos de 6%
molar.
molar.
Las composiciones del vidrio de la presente
invención también pueden contener BaO en un nivel de
0-4% molar, preferiblemente 0-3%
molar, para disminuir la temperatura de fase vítrea y evitar la
desvitrificación.
Como se mostró anteriormente, se han utilizado
influencias, recientemente descubiertas, de los ingredientes
anteriores en los compuestos de vidrio, y su interacción mutua y con
otros ingredientes del vidrio, en sistemas complejos de fabricación
de vidrio para proporcionar compuestos de vidrio nuevos. Los vidrios
de esta invención no sólo son adecuados para el procesado de
estirado a la llama o rotatorio en fibras de vidrio finas, sino que
las fibras fabricadas a partir de estos compuestos son
apropiadamente resistentes al ataque de agua blanca ácida y los
papeles de fibra de vidrio específicos resultantes muestran una
suficiente resistencia a la humedad para soportar la manipulación y
el plegado en los filtros HEPA. Por consiguiente, las fibras de
vidrio libres de boro resultantes son particularmente convenientes
para los requerimientos exigidos para la filtración HEPA de salas
limpias de electróni-
ca.
ca.
Los siguientes ejemplos, que intentan ilustrar,
pero no limitar la invención, demostrarán aún más la importancia de
los ingredientes de la composición del vidrio de acuerdo con la
presente invención.
Ejemplos
1-4
Se prepararon fibras de vidrio de acuerdo con la
presente invención utilizando el siguiente procedimiento:
Se fundieron unos 22,7 kg (50 lbs) de vidrio en
crisoles de Pt y, a continuación, el vidrio fundido se vertió sobre
estructuras pequeñas en forma de lentes, aproximadamente de 2,54 cm
(1'') de diámetro.
Las lentes de vidrio se recalentaron en un molde
de Pt para formar vidrios primarios en un primer paso
experimental.
Los vidrios primarios se dividieron en fibras de
vidrio finos con un diámetro medio de 0,65 micras utilizando un
proceso de estirado a la llama convencional.
Se tomaron medidas de la HTV y de la temperatura
de fase vítrea de la masa de vidrio.
Se fabricaron láminas a partir de estas
microfibras de 0,65 micras. Por cada lámina de 20,3 cm x 20,3 cm
(8'' x 8''), se mezclaron totalmente 5,0 gramos de microfibras con
una solución diluida de H_{2}SO_{4} de
pH=2,0-2,2. La pasta de mezcla se colocó en una
pantalla de malla 100 durante el escurrimiento para formar las
láminas. Se extrajeron las láminas de la pantalla, se secaron y se
almacenaron para las posteriores pruebas.
Las pruebas de tracción y de envejecimiento por
humedad se llevaron a cabo sobre estas láminas. Las láminas de fibra
de vidrio se cortaron en tiras de 2,54 cm (1'') de ancho, y a
continuación, se agruparon para el tratamiento de envejecimiento por
humedad a 35ºC (95ºF) y una humedad relativa del 95%. Se midió la
tracción recta directamente en estas tiras de las láminas de fibra
de vidrio con una longitud de calibre de 10,16 cm (4''). Para las
pruebas de tracción de doble pliegue, primero se doblaron las tiras
180º alrededor de un tubo de 4,76 mm (3/16'') de diámetro y, a
continuación, después de extraer el tubo, se presionó suavemente a
lo largo del pliegue con un peso de 2000 gramos. A continuación, se
volvió a doblar la tira plegada 180º por la cara opuesta de la
lámina y se presionó con el peso a lo largo del pliegue. Se midió
entonces la tracción de plegado en estas tiras de lámina de doble
pliegue con una longitud de calibre de 10,16 cm (4'').
Las composiciones de cada uno de los ejemplos se
proporcionan a continuación (en porcentaje molar):
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Como se indica en la tabla anterior, todos los
compuestos de vidrio con composiciones de acuerdo con la presente
invención proporcionaron una combinación aceptable de HTV,
temperatura de fase vítrea, resistencia a ácidos y humedad, y fuerza
de tracción de la lámina para la elaboración de papel y/o filtros
HEPA como ya se expuso anteriormen-
te.
te.
Ejemplos
5-9
Se prepararon varios compuestos de vidrio de
prueba utilizando el procedimiento de los ejemplos
1-4, pero con las siguientes composiciones que caen
fuera de la presente invención:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Los ejemplos 5 y 6, con más cantidad de MgO que
la especificada y más cantidad de Na_{2}O y K_{2}O que la
preferida, mostraron una resistencia inadecuada al ácido y la
humedad, así como una fuerza de tracción pobre de la lámina. El
ejemplo 7, con una composición similar al ejemplo 6, pero con
cantidades de SiO_{2}menores que la especificada y con cantidades
mayores de TiO_{2} que las preferidas, mostraron una ligera
mejoría en la resistencia al ácido y la humedad pero aún no adecuada
para el procesado en papel y/o filtros HEPA. El ejemplo 8, que
contenía cantidades aceptables de óxidos de metales alcalinos pero
aún contenía más MgO que el especificado y mayores niveles de
SiO_{2} que los preferidos, dio como resultado una mejor
resistencia y fuerza de tracción, pero mostró una inaceptablemente
elevada HTV. El ejemplo 9 contenía más cantidad de TiO_{2} que la
especificada y dio como resultado una resistencia al ácido que era
demasiado alto y una fuerza de tracción inconsistente.
Ingredientes: 5 g de Fibra
500 ml de Agua DI
5 ml de Ácido Sulfúrico 1,8 N
Se miden los ingredientes anteriores y se mezclan
en un mezclador durante 30 segundos en un ajuste bajo y a
continuación 90 segundos en un ajuste alto.
Se prepara un molde de lámina estándar de 20,3 cm
x 20,3 cm (8'' x 8'') con una pantalla de malla 100 y se añaden
aproximadamente 50 ml de ácido sulfúrico 1,8 N al agua DI como
relleno del molde. El pH necesario para el molde está entre 2,0 y
2,2 y se debería ajustar consecuentemente.
Se añade la pasta mezclada, se agita con un
agitador del molde de la lámina 2 ó 3 veces, se escurre y se elimina
al vacío el exceso de agua. Se coloca la lámina en un horno a
100-150ºC hasta que se encuentre medio seca. Se
transfiere la lámina a otra pantalla para completar el secado. El
completo secado de la lámina en la pantalla que se formó dará lugar
a una lámina adherida a la pantalla.
Se utiliza un instrumento para cortar en tiras y
se recortan aproximadamente 6,35 mm (25'') de cada borde. Se corta
la muestra restante en 7 tiras iguales de 2,54 cm (1'') de
ancho.
La prueba se corta en tiras a 1,27 cm/min
(5''/min) con una longitud de calibre de 10,16 cm (4''). Se guarda
el pico en la carga en kg/m (lbs/in) y el porcentaje de
elongación.
Para las pruebas de tracción de doble pliegue, se
dobla la tira 180º alrededor de un tubo de 4,76 mm (3/16'') de
diámetro, se retira el tubo y se coloca suavemente un peso de 2000
gramos a lo largo del pliegue. Se retira el peso, se dobla la tira
180º por la cara opuesta de la lámina y se presiona otra vez con el
peso a lo largo del pliegue. Se despliega la tira y se coloca en los
puntos de prueba para realizar las pruebas.
Se preparan 15 láminas tensionadas de cada
muestra para incluirlas en el estudio. Es mejor incluir una muestra
de producto estándar, normalmente 475, con un diámetro de fibra
similar a las de las muestras a probar, como una muestra
"control".
Se corta cada lámina en 7 tiras tensionadas de
igual longitud y anchura 2,54 cm (1''). Las tiras deberían ser de
igual longitud de manera que el peso de la tira se pueda utilizar
para identificar muestras no representativas causadas por una
formación de lámina irregular. Esto debería dar como resultado 105
tiras por muestra.
Se numeran y pesan cada una de las 105 tiras de
prueba para su identificación. Se incluye una marca para cada
muestra de manera que se puedan diferenciar.
Se pesan las tiras y los valores se recogen en el
ordenador. En este punto, cualquier tira "no representativa",
determinada por el peso de la tira, se elimina y se sustituye por
una de las 5 tiras extras. Sólo se necesitan 100 de las 105 tiras
para el estudio. Mediante la colocación aleatoria de las tiras de
prueba en diversas categorías, no debería haber ninguna desviación
causada por la formación individual de la lámina.
Se clasifican las tiras de prueba en categorías y
se introducen en la cámara de humedad. Se introducen las muestras,
de manera que, el grupo de muestras que van a pasar la prueba
estarán en la parte superior de la cámara para un acceso más fácil.
No se introducen muestras en condición 0 horas ya que se prueban sin
calor ni tratamiento de humedad. Todos los grupos de muestras
posteriores se comparan con los grupos de 0 horas y se comprueba la
degeneración causada por el envejecimiento por humedad en los
resultados de tracción. La cámara de prueba se ajusta a 35ºC (95ºF)
y un 90% de humedad relativa.
Se prueban las muestras de tracción recta y
plegada después de 6 horas, 24 horas, 72 horas, y 168 horas de
tratamiento.
Los análisis de los tests-T se
utilizan para determinar diferencias significativas en los datos de
cada grupo de muestras, y en muestras de la media de cada grupo de
datos.
Claims (18)
1. Compuesto de vidrio sustancialmente libre de
boro que comprende los siguientes componentes en porcentaje
molar:
en el que la cantidad total de
Na_{2}O y K_{2}O es menor de un 18% molar y en el que el
compuesto además contiene Li_{2}O en una cantidad no mayor de un
8% molar y en una cantidad suficiente para mantener la HTV del
compuesto de vidrio entre 1010ºC (1850ºF) y 1204ºC (2200ºF), estando
la temperatura de fase vítrea del compuesto de vidrio, como mínimo,
139ºC (250ºF) por debajo de dicha HTV, definiendo dicha HTV como la
temperatura a la que la viscosidad del vidrio es 100 Pa\cdots
(1000
poises).
2. Compuesto de vidrio, según la reivindicación
1, en el que el compuesto contiene Li_{2}O en una cantidad no
mayor a 6% molar.
3. Compuesto de vidrio, según la reivindicación
1, en el que la HTV es menor de 1177ºC (2150ºF).
4. Compuesto de vidrio, según la reivindicación
3, en el que la HTV es menor de 1093ºC (2000ºF).
5. Compuesto de vidrio, según la reivindicación
1, que tiene una resistencia al agua blanca ácida suficiente para
perder menos de 16000-18000 ppb del total de iones
cuando se disuelve en una solución de ácido sulfúrico de pH 2,5
durante una hora a temperatura ambiente.
6. Medio de filtración de aire HEPA de fibra de
vidrio sustancialmente libre de boro que comprende un papel de
fibras de vidrio que comprende los siguientes componentes en
porcentaje molar en peso:
en el que la cantidad total de
Na_{2}O y K_{2}O es menor de un 20% molar y en el que el
compuesto además contiene Li_{2}O en una cantidad no mayor de un
8% molar y en una cantidad suficiente para mantener la HTV del
compuesto de vidrio entre 1010ºC (1850ºF) y 1204ºC (2200ºF), estando
la temperatura de fase vítrea del compuesto de vidrio, como mínimo,
139ºC (250ºF) por debajo de dicha HTV, definiendo dicha HTV como la
temperatura a la que la viscosidad del vidrio es 100 Pa\cdots
(1000
poises).
7. Medio de filtración de aire de fibra de
vidrio, según la reivindicación 6, en el que la cantidad de
Li_{2}O no es mayor a un 6% molar.
8. Medio de filtración de aire de fibra de
vidrio, según la reivindicación 6, en el que la HTV es menor de
1177ºC (2150ºF).
9. Medio de filtración de aire de fibra de
vidrio, según la reivindicación 8, en el que la HTV es menor de
1093ºC (2000ºF).
10. Medio de filtración de aire de fibra de
vidrio, según la reivindicación 6, en el que dichas fibras de
vidrio tienen una suficiente resistencia al ataque de ácido y
humedad para posibilitar el procesado de dichas fibras a través de
un equipo de fabricación de papel específico utilizando agua blanca
ácida.
11. Medio de filtración de aire de fibra de
vidrio, según la reivindicación 6, en el que dichas fibras de
vidrio son fibras de vidrio de estirado a la llama.
12. Proceso para la fabricación de medios de
vidrio sustancialmente libre de boro adecuado para el uso en
equipos de filtración de aire HEPA que comprende:
- a)
- fibración, en fibras de vidrio utilizando un proceso de estirado a la llama o rotatorio, de un compuesto de vidrio que comprende los siguientes componentes en porcentaje molar en peso:
- en el que la cantidad total de Na_{2}O y K_{2}O es menor de un 20% molar y en el que el compuesto además contiene Li_{2}O en una cantidad no mayor de un 8% molar y en una cantidad suficiente para mantener la HTV del compuesto de vidrio entre 1010ºC (1850ºF) y 1204ºC (2200ºF), estando la temperatura de fase vítrea del compuesto de vidrio, como mínimo, 139ºC (250ºF) por debajo de dicha HTV con un compuesto de vidrio anterior a la fibras de vidrio que tiene una HTV de entre 1010ºC (1850ºF) y 1204ºC (2200ºF), estando la temperatura de fase vítrea del compuesto de vidrio, como mínimo, 139ºC (250ºF) por debajo de dicha HTV, definiendo dicha HTV como la temperatura a la que la viscosidad del vidrio es 100 Pa\cdots (1000 poises);
- b)
- procesado de dichas fibras de vidrio a través de un equipo de fabricación de papel específico utilizando agua blanca acidificada débilmente de pH 2,5-3,0 para obtener papel de fibra de vidrio.
13. Proceso, según la reivindicación 12, en el
que la cantidad de Li_{2}O no es mayor a un 6% molar.
14. Proceso, según la reivindicación 12, en el
que la HTV es menor de 1177ºC (2150ºF).
15. Proceso, según la reivindicación 14, en el
que la HTV es menor de 1093ºC (2000ºF).
16. Proceso, según la reivindicación 12, en el
que dicho papel de fibra de vidrio, además, se pliega sin romperse
para obtener un filtro HEPA con un área superficial alta en un
pequeño volumen.
17. Proceso, según la reivindicación 12, en el
que dicho papel tiene una eficiencia media de filtración de aire de,
como mínimo, un 99,5 de eliminación de partículas de 0,3 micras o
mayores.
18. Proceso, según la reivindicación 17, en el
que dicho papel tiene una eficiencia media de filtración de aire de,
como mínimo, un 99,9% de eliminación de partículas de 0,3 micras o
mayores.
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