ES2224975T5

ES2224975T5 - Compuesto de vidrio libre de boro y medio de filtración.

Info

Publication number: ES2224975T5
Application number: ES00115379T
Authority: ES
Inventors: Xiaojie Xu; Jon Frederick Bauer; Foster Laverne Harding
Original assignee: Johns Manville International Inc
Current assignee: Johns Manville
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 2000-07-15
Publication date: 2011-07-29
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE60014281D1; EP1074521B1; DE60014281T3; ES2224975T3; EP1074521B2; DE60014281T2; US6277777B1; EP1074521A3; JP2001080937A; EP1074521A2

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 Pa·s (1000 pises).

Description

SECTOR AL QUE PERTENECE LA INVENCIÓN

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 (B2O3) a los compuestos de vidrio como un ingrediente y que el boro está presente sólo en cantidades insignificantes o trazas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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 (B2O3) 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 lo 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 B2O3 (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 (R2O) y B2O3 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·s (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 SiO2 y Al2O3 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 Al2O3, 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 Al2O3, pero contienen menos de las cantidades óptimas de SiO2, 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.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

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% SiO2, 1-7% Al2O3, 8-19% Na2O, 0-6% K2O (en la que la suma de Na2O y K2O es menor de un 20%), 3-10% CaO, 0-10% MgO, 0-4% BaO, 0-8% ZnO, 0-4% TiO2 y 0-2% F2, además de contener Li2O 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% SiO2, 2-6% Al2O3, 10-16% Na2O, 0-6%K2O, (en la que la suma de Na2O y K2O es menor de un 18%), 0-6% Li2O, 3-10% CaO, 0-8% MgO, 0-3% BaO, 2-6% ZnO, 0-2% TiO2 y 0-2% F2.

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 B2O3 introducidos no intencionadamente. De este modo, los niveles típicos de B2O3 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.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN PREFERIDAS

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 H2SO4 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.

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 m2/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 giratorios.

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% SiO2, 1-7% Al2O3, 8-19% Na2O, 0-6%K2O (en la que la suma de Na2O y K2O es menor de un 20%),  0-8% Li2O, 3-10% CaO, 0-10% MgO, 0-4% BaO, 0-8% ZnO, 0-4% TiO2 y 0-2% F2, 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% SiO2, 2-6% Al2O3, 10-16% Na2O, 0-6% K2O, (en la que la suma de Na2O y K2O es menor de un 18%),  0-8% Li2O, 3-10% CaO, 0-8% MgO, 0-3% BaO, 2-6% ZnO, 0-2% TiO2 y 0-2% F2, con un intervalo preferido para el contenido de Li2O  0-6%.

En la práctica de esta invención, la concentración de SiO2 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 SiO2 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 Al2O3 incrementa la resistencia a la humedad, pero el Al2O3 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 Al2O3 tendrá un efecto menor. Por tanto, los compuestos de esta invención contienen un 1-7% molar de Al2O3, y preferiblemente un 2-6% molar de Al2O3, 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 Na2O y K2O en composiciones de vidrio convencionales, es decir, un nivel inferior a un 2% molar de F2, puede ser beneficioso para la resistencia a la humedad de ciertos vidrios de la presente invención.

Se observó que el TiO2 mejora la resistencia al ácido mucho más que el SiO2, mientras que disminuye la viscosidad cuando es sustituido por SiO2 en composiciones de vidrio convencionales. Desafortunadamente, también se descubrió que el TiO2 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 TiO2 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 TiO2 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 Li2O, cuando se utiliza para sustituir parcialmente el Na2O y el K2O 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 Li2O no influirá adversamente en la formación del enlace ácido. Sin embargo, el Li2O es relativamente caro y puede provocar la desvitrificación cuando se utiliza en cantidades elevadas. Por consiguiente, el Li2O está presente en las composiciones de vidrio de la presente invención en niveles menores de 8% molar, y preferiblemente menos de 6% 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 electrónica.

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 H2SO4 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):

Componente (% molar): Ejemplo 1 * Ejemplo 2 Ejemplo 3 Ejemplo 4

SiO2B2O3 Al2O3Na2O K2O Li2O CaO MgO BaO ZnO F2HTV ((oF)/oC)) Fase vítrea ((oF)/oC)) Resistencia ácido Resistencia humedad Tracción lámina: 65,75 0,01 3,63 14,50 0,87 5,83 5,63 0 3,79 0 (2192) 1200 (1825) 996 Correcta Buena Buena 65,53 0,01 2,91 11,45 0,65 3,97 6,90 5,10 0 2,91 1,56 (2034) 1112 (1810) 988 Correcta Correcta Buena 66,83 0,01 2,96 11,60 0,72 3,81 5,61 5,58 0 2,87 0 (2109) 1154 (1832) 1000 Correcta Correcta Buena 64,79 0,01 2,97 11,67 0,67 4,05 5,80 3,95 0,79 3,72 1,60 (2006) 1097 (1697) 925 Correcta Correcta Buena

* : Ejemplo de referencia (no según la invención)

5 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 anteriormente.

10 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:

Óxido (% molar): Ejemplo 5 Ejemplo 6 Ejemplo 7 Ejemplo 8 Ejemplo 9

SiO2B2O3Al2O3Na2O K2O CaO MgO BaO ZnO TiO2P2O5F2HTV ((oF)/oC)) Fase vítrea ((oF)/oC)) Resistencia ácido aceptable Resistencia humedad Tracción lámina: 62,37 0,02 1,72 17,93 0,69 0 14,24 1,18 0 0 0 1,87 (1981) 1083 (1616) 880 No No Pobre 60,77 0,02 1,72 17,58 0,64 0,26 15,00 0,37 0 0 2,00 1,64 (2033)1112 (1624) 884 No No Pobre 59,15 0,01 1,86 18,34 0,64 0,27 14,77 1,15 0 2,24 0 1,55 (1910)1043 (1595) 868 No No Pobre 69,56 0,010 1,95 10,82 3,55 0,22 13,37 0 0,49 0,02 0 0 (2355) 1290 (1300)704 Similar Similar Buena 65,30 0,01 3,53 14,76 0,78 2,25 5,41 0 3,44 4,53 0 0 (2176) 1191 (1600) 871 Demasiado alta Correcta Inconsistente

15 Los ejemplos 5 y 6, con más cantidad de MgO que la especificada y más cantidad de Na2O y K2O 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 SiO2 menores que la especificada y con cantidades mayores de TiO2 que las preferidas, mostraron una ligera mejoría en la resistencia al ácido y la

20 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 SiO2 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 TiO2 que la especificada y dio como resultado una resistencia al ácido que era demasiado alto y una fuerza de tracción inconsistente.

Ejemplo 10

Preparación de Láminas Tensadas para Productos de Micro Hilos

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.

Ejemplo 11

Estudio del envejecimiento por humedad para Micro-hilos

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

REIVINDICACIONES

1. Compuesto de vidrio sustancialmente libre de boro que comprende los siguientes componentes en porcentaje molar:

5 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, teniendo el compuesto de vidrio una HTV entre 1010oC (1850oF) y 1204oC (2200oF), estando la temperatura de fase vítrea del compuesto de vidrio, como mínimo, 139oC (250oF) por

10 debajo de dicha HTV, definiendo dicha HTV como la temperatura a la que la viscosidad del vidrio es 100 Pa·s (1000 poises).
2. Compuesto de vidrio, según la reivindicación 1, en el que el compuesto contiene Li2O en una cantidad no mayor a

6% molar. 15
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).

20 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 25 fibras de vidrio que comprende los siguientes componentes en porcentaje molar en peso:

60-70% SiO2 1-7% Al2O3 8-19% Na2O 0-6% K2O 3-10% CaO 0-10% MgO 0-4% BaO 0-8% ZnO 0-4% TiO2; y 0-2% F2

en el que la cantidad total de Na2O y K2O es menor de un 20% molar y en el que el compuesto además contiene Li2O en una cantidad no mayor de un 8% molar, teniendo el compuesto de vidrio una HTV entre 1010oC (1850oF) y

30 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·s (1000 poises).
7. Medio de filtración de aire de fibra de vidrio, según la reivindicación 6, en el que la cantidad de Li2O no es mayor a 35 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).

40 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:

60-70% SiO2 1-7% Al2O3 8-19% Na2O 0-6% K2O 3-10% CaO 0-10% MgO 0-3% BaO 0-8% ZnO 0-4% TiO2; y 0-2% F2

en el que la cantidad total de Na2O y K2O es menor de un20% molar y en el que el compuesto además contiene Li2O en una cantidad no mayor de un 8% molar, encontrándose 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 entre 1010oC (1850oF) y 1204oC (2200oF) aproximadamente, y estando la temperatura de fase vítrea, como mínimo, 139oC (250oF) por debajo de dicha HTV y estando definida dicha HTV como la temperatura a la que la viscosidad del vidrio es 100 Pa·s (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 Li2O 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.