ES2574309T3 - Composición de vidrio para producir fibras de elevada resistencia y módulo elevado - Google Patents

Composición de vidrio para producir fibras de elevada resistencia y módulo elevado Download PDF

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ES2574309T3 ES11741689.1T ES11741689T ES2574309T3 ES 2574309 T3 ES2574309 T3 ES 2574309T3 ES 11741689 T ES11741689 T ES 11741689T ES 2574309 T3 ES2574309 T3 ES 2574309T3
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Abstract

Una composición para preparar fibras de vidrio ligeras de elevada resistencia que comprende: SiO2 en una cantidad de aproximadamente 69,5 a aproximadamente 80,0 % % en peso de la composición total, Al2O3 en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 18,5 % en peso en peso de la composición total, CaO en una cantidad de 0,0 a aproximadamente 3.0 % en peso en peso de la composición total, MgO en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 14,75 % en peso en peso de la composición total, Li2O en una cantidad de aproximadamente 3,25 a aproximadamente 4,0 % en peso en peso de la composición total, y Na2O en una cantidad de 0,0 a aproximadamente 2.0 % en peso en peso de la composición total.

Description

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DESCRIPCION
Composicion de vidrio para producir fibras de elevada resistencia y modulo elevado Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica la prioridad y el resto de beneficios de la solicitud provisional de Estados Unidos con numero de serie 61/360.188, que se incorpora por referencia en su totalidad.
Campo tecnico y aplicabilidad industrial
La presente invencion se refiere de forma general a una composicion de vidrio, y mas especialmente, a una composicion de vidrio de alto rendimiento que tiene propiedades de formacion aceptables, y cuyos componentes se funden en un crisol refractario. Las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion de la invencion tienen una elevada resistencia y un modulo mejorado y se pueden utilizar para reforzar matrices de material compuesto cuando se desea elevada resistencia, rigidez y ligereza de peso.
Antecedentes
Las fibras de vidrio se fabrican a partir de diferentes materias primas combinadas en proporciones espedficas para producir una composicion qmmica deseada. Esta coleccion de materiales se denomina normalmente un "lote de vidrio". Para formar las fibras de vidrio, normalmente, el lote de vidrio se funde en un crisol o equipo de fusion, el vidrio fundido se estira en filamentos a traves de un casquillo o placa de orificios, y se aplica a los filamentos una composicion de dimensionamiento que contiene lubricantes, agentes de acoplamiento, y resinas aglutinantes formadoras de pelfcula. Una vez que se ha aplicado el dimensionamiento, las fibras se pueden reunir en una o mas hebras y enrollarse en un envase o, como alternativa, las fibras pueden cortarse mientras siguen humedas, y recogerse. Las hebras cortadas recogidas se pueden secar y endurecer a continuacion para formar fibras cortadas secas, o bien se pueden envasar en su estado humedo como fibras cortadas humedas.
La composicion del lote de vidrio y del vidrio fabricado a partir del mismo se suele expresar en terminos de porcentajes de los componentes, que se expresan principalmente como oxidos. SO2, A^O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3, y cantidades poco importantes de otros compuestos como TO2, Li2O, BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5, fluor, y SO3 son componentes habituales de un lote de vidrio. Se pueden producir numerosos tipos de vidrios variando las cantidades de dichos oxidos, o eliminando alguno de los oxidos del lote de vidrio. Los ejemplos de este tipo de vidrios que se pueden producir incluyen el vidrio R, el vidrio E, el vidrio S, el vidrio A, el vidrio C, y el vidrio ECR. La composicion del vidrio controla la formacion y las propiedades de producto del vidrio. Otras caractensticas de las composiciones de vidrio incluyen el coste de la materia prima y el impacto ambiental.
Existe una combinacion unica de propiedades de formacion que permiten a un vidrio fundirse y distribuirse en un recipiente refractario convencional y el sistema de distribucion de vidrio. En primer lugar, la temperatura a la que se mantiene el vidrio debe ser lo suficientemente baja para que el material refractario no se altere. El material refractario se puede alterar, por ejemplo, si se supera la temperatura maxima de uso del material refractario, o aumentando la velocidad a la que el vidrio corroe y erosiona el material refractario hasta un nivel inaceptablemente elevado. La velocidad de corrosion del material refractario aumenta a medida que el vidrio se vuelve mas fluido por una disminucion en la viscosidad del vidrio. Por tanto, para que el vidrio se funda en un recipiente refractario, la temperatura del material refractario debe mantenerse por debajo de determinada temperatura y la viscosidad del vidrio (es decir, la resistencia al flujo) debe mantenerse por encima de un determinado valor. Asimismo, la temperatura del vidrio en la unidad de fundicion, asf como a lo largo de la totalidad del proceso de distribucion y formacion de la fibra, debe ser lo suficientemente elevado para evitar la cristalizacion del vidrio (es decir, debe mantenerse a una temperatura por encima de la temperatura del liquidus).
En el equipo de fabricacion de fibra, es habitual requerir un diferencial mmimo de temperatura entre la temperatura seleccionada para la formacion de la fibra (es decir, temperatura de formacion) y la temperatura del liquidus del vidrio. Este diferencial de temperatura, AT, es una medida de lo facilmente que se pueden conformar fibras continuas sin que la produccion de fibras se vea interrumpida por roturas ocasionadas por la desvitrificacion de los cristales. De acuerdo con ello, es deseable tener una AT tan grande como sea posible para conseguir una formacion ininterrumpida de fibra de vidrio.
En la busqueda de fibras de vidrio que tengan un elevado rendimiento final, AT tiene, a veces, que sacrificarse para conseguir las propiedades finales deseadas. La consecuencia de este sacrificio es el requisito de que el vidrio se funda en un horno revestido de platino o aleacion de platino, bien porque la temperatura supera la temperatura maxima de uso final de los materiales refractarios convencionales o porque la viscosidad del vidrio era tal que la temperatura del cuerpo de cristal no se puede mantener por encima de la temperatura de liquidus a la vez que se produce una viscosidad del vidrio suficientemente elevada para mantener la corrosion del material refractario a un nivel aceptable. El vidrio S2 es un ejemplo donde se producen ambos fenomenos. La temperatura de fusion del vidrio S2 es demasiado elevada para los materiales refractarios habituales, y la AT es muy pequena (o negativa),
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haciendo de esta forma que el vidrio sea muy fluido y muy corrosivo para los materiales refractarios convencionales a temperatures del vidrio superiores a la temperature del liquidus. El vidrio R convencional tienen tambien un AT muy pequeno, y por tanto se funde en crisoles de platino o revestidos de platino.
De esta manera, existe una necesidad en la tecnica de composiciones de vidrio de alto rendimiento que retengan propiedades mecanicas y ffsicas (por ejemplo, modulo espedfico y resistencia a la tension espedfica) favorables y propiedades de formacion (por ejemplo, la temperatura del liquidus y la temperatura de formacion) donde la temperature de formacion es lo suficientemente baja y la diferencia entre la temperatura de formacion y el liquidus es lo suficientemente grande para permitir que los componentes de la composicion de vidrio se fundan en un tanque refractario convencional.
Sumario
En una realizacion de la invencion, se proporciona una composicion que incluye SO2 en una cantidad de aproximadamente 69,5 a aproximadamente un 80,0 % en peso, AhO3 en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 18,5% en peso, CA en una cantidad de 0,0 a aproximadamente 3,0% en peso, MgO en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 14,75 % en peso, Li2O en una cantidad de aproximadamente 3,25 a aproximadamente 4,0% en peso, y Na2O en una cantidad de 0,0 a aproximadamente 2,0% en peso. La expresion " % en peso", tal como se usa en el presente documento, se pretende que se defina como el porcentaje en peso de la composicion total. En realizaciones ilustrativas, la composicion de vidrio esta exenta o sustancialmente exenta de B2O3 y fluor, aunque bien se puede anadir en pequenas cantidades para ajustar las propiedades de formacion de la fibra y de la fibra terminada sin afectar negativamente las propiedades si se mantiene por debajo de determinado porcentaje. Tal como se usa en el presente documento, sustancialmente exento de B2O3 y fluor significa que las sumas de las cantidades de B2O3 y fluor presente en la composicion es inferior al 1 % en peso de la composicion. La suma de las cantidades de B2O3 y fluor presente en la composicion puede ser inferior al 0,5 % en peso de la composicion, o inferior al 0,2 % en peso de la composicion. Ademas, la composicion puede contener opcionalmente cantidades traza de otros componentes o impurezas que no se hayan anadido intencionadamente. Ademas, la composicion de vidrio tiene una temperatura de formacion (tambien denominada en el presente documento como viscosidad de formacion o temperatura de formacion de la fibra o log 3 temperatura) que es lo suficientemente baja para utilizar crisoles de material refractario de bajo coste en lugar de los costosos crisoles revestidos de aleacion de platino en la formacion de fibras de vidrio.
En otra realizacion de la presente invencion, una fibra de vidrio continua formada de la composicion anteriormente descrita se produce usando un recipiente crisol refractario. Mediante el uso de un tanque refractario formado de bloques refractarios, se pueden reducir los costes de fabricacion asociados con la produccion de fibras de vidrio producidas por la composicion de la invencion. Las composiciones de vidrio se pueden usar para formar hebras de vidrio continuo a utilizar en aplicaciones donde se requiera una elevada resistencia rigidez y baja densidad.
En otra realizacion mas de la presente invencion, se proporciona un material reforzado formado por un material de matriz y una pluralidad de fibras formadas con la composicion anteriormente descrita. El material de matriz puede ser cualquier resina termoplastica o termoendurecible conocida por los expertos en la materia, e incluye materiales termoplasticos tales como poliesteres, polipropileno, poliamida, politereftalato de etileno, y polibutileno, y resinas termoendurecibles tales como resinas epoxi, poliesteres insaturados, fenolicos, esteres de vinilo, y elastomeros. Las resinas de polfmero se pueden usar solas o combinadas para formar el producto final de material compuesto.
En una realizacion adicional de la presente invencion, se proporciona un metodo para formar una fibra de vidrio de alto rendimiento. Las fibras se pueden formar obteniendo los ingredientes iniciales y mezclar los componentes en las cantidades adecuadas para proporcionar los porcentajes en peso deseados de la composicion final. El lote mezclado se funde a continuacion en un crisol refractario tradicional y estirarse a traves de los orificios de un casquillo hecho en aleacion de platino para formar fibras de vidrio. Las hebras de fibra de vidrio se forman reuniendo los filamentos individuales entre sf. Las hebras se pueden enrollar y procesarse adicionalmente de una forma convencional adecuada para la aplicacion prevista. Las fibras de vidrio de la presente invencion se pueden obtener por cualquiera de los metodos de formacion de fibras de vidrio descritos en el presente documento.
En otra realizacion de la presente invencion, las fibras de vidrio formadas con las composiciones de la invencion tienen una temperatura de liquidus no superior a aproximadamente 1510 o aproximadamente 1500 °C, una temperatura log 3 inferior a aproximadamente 1550 °C y una AT de hasta aproximadamente 250 °C.
En una realizacion de la presente invencion, las fibras de vidrio formadas a partir de las composiciones de la invencion tienen una temperatura de liquidus no superior a aproximadamente 1440 °C, una temperatura log 3 inferior a aproximadamente 1410 °C y una AT de hasta aproximadamente 50 °C.
En otra realizacion, las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion de la invencion tienen una resistencia a la traccion de fibra virgen de entre aproximadamente 4200 y aproximadamente 5000 MPa, un modulo entre aproximadamente 78 y aproximadamente 86 u 86,5 GPa y una densidad de aproximadamente 2,35 a aproximadamente 2,46 g/cc.
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En una realizacion adicional de la invencion, las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion de la invencion tienen un modulo espedfico entre aproximadamente 33,9 MJ/kg y aproximadamente 35,0 MJ/kg y una resistencia espedfica de entre aproximadamente 1,74 MJ/kg y aproximadamente 2,09 MJ/kg.
En otra realizacion de la presente invencion, la composicion vftrea tiene una viscosidad de formacion que sea lo suficientemente baja, y un AT que sea lo suficientemente grande, para utilizar crisoles refractarios de bajo coste en lugar de los caros crisoles revestidos de platino convencionales en la formacion de fibras de vidrio.
En otra realizacion de la presente invencion, las fibras formadas a partir de la composicion de la invencion se forman a un coste inferior debido a la menor energfa necesaria para fundir la composicion de vidrio.
El objeto anterior y otros objetos, caractensticas, y ventajas de la invencion apareceran mas completamente a partir de ahora en el presente documento en consideracion a la descripcion detallada que sigue.
Descripcion detallada y realizaciones preferidas
Salvo que se indique de otra manera, todos los terminos tecnicos y cientfficos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comunmente una persona normalmente experta en la tecnica a la cual pertenece la invencion. Aunque se pueden usar cualesquiera metodos y materiales similares o equivalentes a los descritos en el presente documento para llevar a la practica o en el ensayo de la presente invencion, los materiales y metodos preferidos se describen en el presente documento. Todas las referencias citadas en el presente documento, incluyendo las solicitudes de patente estadounidenses o extranjeras publicadas o correspondientes, patentes concedidas en EEUU o en otros pafses, y cualquier otra referencia, se incorpora, cada una de ellas, por referencia en su totalidad, incluyendo todos los datos, tablas, figuras, y texto presentado en las referencias citadas. Los terminos "Composicion" y "formulacion" se pueden usar indistintamente en el presente documento. Ademas, la expresion "composicion de vidrio de la invencion" y "composicion de vidrio" se pueden usar indistintamente.
La presente invencion se refiere a una composicion de vidrio utilizada para formar fibras de vidrio continuas que tienen una resistencia y un modulo mejorados, y una baja densidad. En particular, la presente invencion se refiere a una composicion de vidrio adecuada para preparar fibras de vidrio que tienen un valor excelente del modulo y de la densidad. En algunas realizaciones, la composicion de vidrio tiene una temperatura de formacion baja y un AT lo suficientemente grande para permitir la utilizacion de crisoles de material refractario de bajo coste en forma de tanque para la formacion de las fibras de vidrio en lugar de los equipos de fusion convencionales de alto coste formados de platino. Sorprendentemente, se ha descubierto que esto se puede conseguir sin perjudicar la resistencia del vidrio, en una composicion de vidrio que comprende una cantidad relativamente elevada de SiO2, anadiendo una cantidad relativamente elevada de Li2O. Mediante el uso de un tanque refractario formado de bloques refractarios, se reducen los costes de fabricacion asociados con la produccion de fibras de vidrio producidas por la composicion de la invencion. Ademas, la energfa necesaria para fundir los componentes de la composicion de vidrio es inferior que la energfa necesaria para fundir muchas formulaciones de vidrio comercialmente disponibles. Dichos requisitos de baja energfa pueden reducir a su vez los costes de fabricacion globales asociados con el vidrio de la invencion. Ademas, la composicion de la presente invencion retiene la capacidad de fabricar una fibra de vidrio de alto rendimiento comercialmente aceptable y un producto de fibra producido a partir de las fibras de vidrio. En particular, las fibras de vidrio formadas usando la composicion de la invencion se pueden utilizar para formar productos de material compuesto que sean tanto ligeros como excepcionalmente fuertes.
La composicion de vidrio de la invencion incluye los siguientes componentes, en intervalos de porcentaje en peso, proporcionados en la Tabla 1. Tal como se usa en el presente documento, las expresiones "porcentaje en peso" y "porcentaje por peso" se pueden utilizar indistintamente, y se usan para denotar el porcentaje en peso (o porcentaje por peso) basado en la composicion total.
TABLA 1
Sustancias qmmicas
% en peso
SiO2
69,5 -80,0
Al2O3
5,0 -18,5
MgO
5,0 -14,75
CaO
0,0 -3,0
U2O
3,25 -4,0
Na2O
0,0 -2,0
En una realizacion, la composicion comprende AI2O3 en una cantidad de 9,5 a 15,4% en peso y MgO en una cantidad de 5,0 a 10,2 % en peso y por tanto incluye los componentes definidos en la Tabla 2.
TABLA 2
Sustancias quimicas
% en peso
SiO2
69,5 -80,0
Al2O3
9,5 -15,4
MgO
5,0 -10,2
CaO
0,0 -3,0
U2O
3,25 -4,00
Na2O
0,0 -2,0
5
En otra realizacion, la composicion de vidrio comprende MgO en una cantidad de 6,9 a 10.2 % en peso y por tanto incluye los componentes definidos en la Tabla 3.
TABLA 3
Sustancias quimicas
% en peso
SiO2
69,50 -80,0
Al2O3
9,50 -15,40
MgO
6,90 -10,20
CaO
0,0 -3,0
Li2O
3,25 -4,00
Na2O
0,0 -2,0
10
En otra realizacion, la composicion de vidrio comprende SiO2 en una cantidad de 69,5 a 74,5 % en peso y A^O3 en una cantidad de 10,20 a 18,5 % en peso y por tanto incluye los componentes definidos en la Tabla 4.
TABLA 4
Sustancias quimicas
% en peso
SiO2
69,50 -74,50
Al2O3
10,20 -18,50
MgO
5,00 -14,75
CaO
0,0 -3,0
Li2O
3,25 -4,00
Na2O
0,0 -2,0
15
En otra realizacion, la composicion de vidrio comprende SO2 en una cantidad de 69,5 a 76,5 % en peso y A^O3 en una cantidad de 5,0 a 15,4 % en peso y por tanto incluye los componentes definidos en la Tabla 5.
TABLA 5
Sustancias quimicas
% en peso
SiO2
69,50 -76,50
Al2O3
5,00 -15,40
MgO
5,00 -14,75
CaO
0,0 -3,0
Li2O
3,25 -4,00
Na2O
0,0 -2,0
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En cada una de las realizaciones representadas por las Tablas 1 a 5, CaO puede estar presente en una cantidad de 0,18 o de 0,2 a 3,0 % en peso y Na2O puede estar presente en una cantidad de 0,04 a 2,0 % en peso.
Ademas, las impurezas, o el material extrano, pueden estar presentes en la composicion de vidrio sin afectar negativamente a los vidrios o las fibras. Dichas impurezas pueden entrar en el vidrio como impurezas de materias primas, o pueden ser productos formados mediante la reaccion qmmica de los materiales fundidos con componentes del horno. Los ejemplos no limitantes de materiales extranos incluyen cromo, zirconio, potasio, hierro, cinc, estroncio, y bario, todos los cuales pueden estar presente en sus formas de oxido, y fluor y cloro. La composicion de vidrio de la presente invencion puede estar exenta, o sustancialmente exenta de B2O3 y fluor.
La presente invencion tambien se refiere a fibras de vidrio formadas a partir de la composicion de vidrio de la invencion anteriormente descrita. Las fibras de vidrio virgen (es decir, fibras producidas en el laboratorio no dimensionadas y no alteradas) tienen una resistencia a la traccion de la fibra de entre aproximadamente 4200 y aproximadamente 5000 MPa. Ademas, las fibras vfrgenes tienen un modulo entre aproximadamente 78 y aproximadamente 86 GPa y una densidad de aproximadamente 2,35 a aproximadamente 2,46 g/cc (compare el vidrio S2 a 2,48 g/cc). La resistencia a la traccion de fibra tambien se denomina en el presente documento como "resistencia", y se mide sobre la fibra virgen usando un equipo de ensayo de traccion lnstron de acuerdo con la norma ASTM D2343-09. Como se cita en el presente documento, el modulo es un promedio de medidas sobre 5 fibras de vidrio individuales, de acuerdo con el procedimiento detallado en el informe, "Glass Fiber and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory", Informe numero NOLTR 65-87, 23 de junio de 1965. La densidad se mide mediante el metodo de Arqmmedes (norma ASTM C693-93(2008)) de un vidrio a granel no templado.
Las propiedades de formacion de fibra de la composicion de vidrio de la presente invencion incluyen la temperatura de formacion de fibra, la temperatura de liquidus, y AT. La temperatura de formacion de fibra se define como la temperatura que corresponde a una viscosidad de aproximadamente 1000 Poise y tal como se usa en el presente documento, se mide usando un metodo de rodillo giratorio (metodo ASTM C965-96(2007)). La temperatura de formacion de fibra tambien se puede denominar como el log 3 temperatura de la viscosidad de formacion. La disminucion de la temperatura de formacion de fibra puede reducir el coste de produccion de las fibras de vidrio porque permite una vida util mas prolongada del casquillo y un consumo de energfa reducido. Por ejemplo, a una temperatura de formacion de fibra baja, el casquillo funciona a una temperatura mas baja y no se "debilita" rapidamente. El debilitamiento es un fenomeno que se produce en los casquillos que se mantienen a una temperatura durante periodos prolongados de tiempo. De esta manera, al disminuir la temperatura de formacion de fibra, la velocidad de debilitamiento del casquillo se puede reducir, y la vida del casquillo puede aumentar.
Ademas, una temperatura de formacion de fibra mas baja permite un rendimiento mayor ya que se puede fundir mas vidrio en un periodo de tiempo dado para una entrada de energfa dada. Ademas, una temperatura de formacion de fibra mas baja permite que el vidrio formado con la composicion de la invencion se funda en un crisol revestido de material refractario en lugar de los costosos equipos de fundicion formados de platino, ya que las temperaturas tanto de fusion como de formacion de la fibra estan por debajo de las temperaturas de uso superior de muchos materiales refractarios comercialmente disponibles. En la presente invencion, la composicion de vidrio tiene una temperatura de formacion de fibra (es decir, log 3 temperatura) que es inferior a aproximadamente 1550 °C. La temperatura de formacion de fibra puede ser de aproximadamente 1255 o de aproximadamente 1300 °C a aproximadamente 1550 °C. En una realizacion, la composicion de vidrio de la presente invencion puede tener una temperatura de formacion de fibra inferior a aproximadamente 1410 °C. En realizaciones ilustrativas, la temperatura de formacion de fibra es de 1255 a 1410 °C.
La temperatura del liquidus se define como la temperatura mas alta a la que existe un equilibrio entre el cristal lfquido y su fase cristalina principal. Tal como se usa en el presente documento, la temperatura del lfquidus se mide exponiendo la composicion de vidrio a un gradiente de temperatura en un recipiente de aleacion de aluminio durante 16 horas (norma ASTM C829-81(2005)). A todas las temperaturas por encima de la temperatura del liquidus, el vidrio esta exento de cristales en su fase principal. A las temperaturas por debajo de la temperatura del liquidus, se pueden formar cristales. Ademas, la temperatura del liquidus es la temperatura mas alta a la que se puede producir la desvitrificacion cuando se enfna el vidrio fundido. A todas las temperaturas por encima de la temperatura del liquidus, el vidrio esta completamente molido. La temperatura del liquidus de la composicion de la invencion, de forma deseable, no es superior a aproximadamente 1505 o aproximadamente 1500 °C, y puede variar de aproximadamente 1225 o 1240 °C a aproximadamente 1500 °C. En una realizacion, la temperatura del liquidus no es superior a 1440 °C y puede variar de aproximadamente 1225 °C a aproximadamente 1440 °C.
Una tercera propiedad de formacion de la fibra es el "AT", que se define como la diferencia entre la temperatura de formacion de fibra (es decir, log 3 temperatura) y la temperatura del liquidus. Si el AT es demasiado pequeno, el vidrio fundido puede cristalizar en el interior del equipo de formacion de fibra y ocasionar una rotura en el proceso de fabricacion. De forma deseable, el AT es tan grande como sea posible para una viscosidad de formacion dada. Un AT mas grande proporciona un mayor grado de flexibilidad durante la formacion de la fibra y ayuda a evitar la desvitrificacion tanto en el sistema de distribucion de vidrio como en el equipo de formacion de fibra. Ademas, un AT mas grande reduce el coste de produccion de las fibras de vidrio permitiendo una vida mas prolongada del castillo y un proceso de formacion menos sensible a la temperatura. La composicion de la invencion puede tener un AT de
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10
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20
25
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40
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60
65
hasta aproximadamente 250 °C, y en realizaciones ilustrativas, de aproximadamente -70 °C a aproximadamente 250 °C.
En una realizacion, la composicion de la invencion puede tener un AT de hasta 100 °C y aproximadamente 250 °C. En esta realizacion, la composicion de la invencion puede corresponder a la que se ha definido en la Tabla 3 anterior.
Otra propiedad de importancia es el modulo espedfico. Es deseable disponer de un modulo espedfico tan elevado como sea posible para conseguir un material compuesto ligero que anada rigidez al artfculo final. El modulo espedfico es importante en aplicaciones donde la rigidez del producto es un parametro importante, tal como en aplicaciones de energfa eolica y aplicaciones aeroespaciales. En realizaciones ilustrativas, las fibras de vidrio tienen un modulo espedfico de aproximadamente 33,9 MJ/kg a aproximadamente 35,0 MJ/kg (a comparar con el vidrio S2 a 36,0 MJ/kg). Ademas, las fibras de vidrio tienen una resistencia espedfica de aproximadamente 1,74 MJ/kg a aproximadamente 2,09 MJ/kg (a comparar con el vidrio S2 a 2,01 MJ/kg).
En una realizacion, las fibras de vidrio de la invencion tienen un modulo espedfico superior a 34,1 MJ/kg, teniendo de esta forma un modulo espedfico que supera el del vidrio R comercial. En esta realizacion, las fibras de vidrio tienen un modulo espedfico superior a de aproximadamente 34,1 M J/kg a aproximadamente 35,0 M J/kg. En esta realizacion, las fibras de vidrio de la invencion se pueden formar a partir de la composicion definida en la Tabla 4 anterior.
En otra realizacion, las fibras de vidrio de la invencion tienen una resistencia espedfica superior a 2,01 MJ/kg, teniendo de esta forma una resistencia que supera la del vidrio S2. En esta realizacion, las fibras de vidrio tienen una resistencia espedfica superior a de aproximadamente 2,01 M J/kg a aproximadamente 2,09 M J/kg. En esta realizacion, las fibras de vidrio de la invencion se pueden formar a partir de la composicion definida en la Tabla 5 anterior.
En general, las fibras de vidrio de acuerdo con la presente invencion se pueden formar obteniendo las materias primas o ingredientes iniciales y mezclando o combinando los componentes de forma convencional en las cantidades adecuadas para proporcionar los porcentajes en peso deseados de la composicion final. Por ejemplo, los componentes se pueden obtener a partir de ingredientes primarios o materias primas adecuados entre los que se incluyen, pero sin limitacion, arena o pirofilita para SiO2, piedra caliza, cal calcinada, wollastonita, o dolomita para CaO, caolm, alumina o pirofilita para AhO3, dolomita, caliza dolomttica, brucita, enstatita, talco, magnesita calcinada, o magnesita de MgO, carbonato de litio o espodumeno para Li2O y carbonato de sodio, feldespato sodico o sulfato de sodio para el Na2O. Tambien se puede utilizar vidrio triturado reciclado para suministrar uno o mas de los oxidos necesarios. El lote mezclado se funde a continuacion en un horno o crisol refractario tradicional, y el vidrio fundido resultante se hace pasar a lo largo de un antehogar y al interior de casquillos (por ejemplo, casquillos de aleacion de platino) situados a lo largo del fondo del antehogar. Las temperaturas de funcionamiento del vidrio en el horno, antehogar, y casquillo se seleccionan para ajustar adecuadamente la viscosidad del vidrio, y se pueden mantener usando metodos adecuados tales como dispositivos de control. Preferentemente, la temperatura del extremo delantero del crisol se controla automaticamente para reducir o eliminar la desvitrificacion. A continuacion, el vidrio fundido se impulsa (estira) a traves de los agujeros o los orificios del fondo o de la punta de la placa del casquillo para formar fibras de vidrio. Las corrientes de vidrio fundido que fluyen a traves de los orificios del casquillo se transforman en filamentos enrollando una hebra formada de una pluralidad de filamentos individuales sobre un tubo de conformacion montado sobre un carrete giratorio de una maquina de bobinado o se corta a una velocidad adaptable.
Las fibras se pueden procesar adicionalmente de una forma convencional adecuada para la aplicacion prevista. Por ejemplo, las fibras de vidrio se pueden dimensionar con una composicion de dimensionamiento conocida del experto en la materia. La composicion de dimensionamiento no esta restringida en forma alguna, y puede ser cualquier composicion de dimensionamiento adecuada para su aplicacion a fibras de vidrio. Las fibras dimensionadas se pueden utilizar para reforzar sustratos, tal como una variedad de plasticos, donde el uso final del producto requiere una elevada resistencia y rigidez junto a un bajo peso. Dichas aplicaciones incluyen, pero no de forma limitativa, telas tejidas para su uso en la formacion de turbinas eolicas, revestimiento de armaduras, y estructuras aeroespaciales. En este sentido, la presente invencion tambien incluye un material compuesto que incluye las fibras de vidrio de la invencion, como se ha descrito anteriormente, junto con un material de matriz endurecible. El material de matriz puede ser cualquier resina termoplastica o termoendurecible conocida por los expertos en la materia, tales como, pero sin limitarse a materiales termoplasticos tales como poliesteres, polipropileno, poliamida, politereftalato de etileno, y polibutileno, y resinas termoendurecibles tales como resinas epoxi, poliesteres insaturados, fenolicos, esteres de vinilo, y elastomeros. Estas resinas se pueden usar solas o combinadas.
Habiendo descrito la presente invencion de una forma general, se puede conseguir una comprension adicional por referencia a determinados ejemplos espedficos ilustrados a continuacion que se proporcionan solamente con fines de ilustracion y no estan previstos para que sean inclusivos o limitantes salvo que se especifique otra cosa.
Ejemplos
Ejemplo 1: Composiciones de vidrio de alto rendimiento
5 Se prepararon composiciones de vidrio de acuerdo con la presente invencion mezclando sustancias qmmicas de calidad reactivo en las cantidades proporcionadas para conseguir una composicion de vidrio final con los porcentajes en peso de oxidos definidos en la Tabla 4. Las materias primas se fundieron en un crisol de platino en un horno calentado electricamente a una temperatura de 1650 °C durante 3 horas. La viscosidad de formacion (es decir, la temperatura que corresponde a una viscosidad de aproximadamente 1000 Poise) se determino usando un metodo 10 de rodillo giratorio (metodo ASTM C965-96 (2007)). La temperatura del liquidus se midio exponiendo el vidrio a un gradiente de temperatura en un recipiente de aleacion de aluminio durante 16 horas (norma ASTM C829-81(2005)). La densidad se midio mediante el metodo de Arqmmedes (norma ASTM C693-93(2008)) de un vidrio a granel no templado. El modulo indicado en las tablas siguientes es un promedio de medidas sobre 5 fibras de vidrio individuales, de acuerdo con el procedimiento detallado en el informe, "Glass Fiber and Measuring Facilities at the 15 U.S. Naval Ordnance Laboratory", Informe numero NOLTR 65-87, 23 de junio de 1965. La resistencia se midio en filamentos vfrgenes usando un equipo de ensayo de traccion lnstron (ASTM D2343-09).
TABLA 4
Sustancias qmmicas
Ej. 1 (% en peso) Ej. 2 (% en peso) Ej. 3 (% en peso) Ej. 4 (% en peso) Ej. 5 (% en peso) Ej. 6 (% en peso) Ej. 7 (% en peso)
SiO2
72,80 80,00 71,07 71,36 72,30 72,66 72,43
Al2O3
14,38 9,54 18,50 10,28 12,99 13,99 13,34
MgO
8,93 6,90 6,87 14,75 8,35 8,77 8,49
CaO
0,52 0,25 0,25 0,29 3,00 0,50 0,46
Li2O
3,28 3,27 3,27 3,27 3,28 4,00 3,28
Na2O
0,09 0,04 0,04 0,05 0,08 0,08 2,00
Propiedad
Viscosidad formacion (Log 3 Temperatura) (°C)
1434 1551 1482 1302 1393 1405 1415
Temperatura liquidus (°C)
1303 1369 1503 1374 1237 1277 1262
Delta-T (°C) (Temperatura formacion - liquidus)
131 182 -21 -72 157 128 153
Densidad (g/cc)
2,42 2,35 2,41 2,46 2,44 2,41 2,42
Modulo (Gpa)
83,6 79,7 83,8 86,2 83,5 83,4 82,9
Resistencia espedfica (MJ/kg)
1,92 2,09 2,07 1,79 1,85 1,9 1,88
Modulo espedfico (MJ/kg)
34,6 33,9 34,8 35,0 34,20 34,50 34,30
20 TABLA 5
Sustancias qmmicas
Ej. 8 (% en peso) Ej. 9 (% en peso) Ej. 10 (% en peso) Ej. 11 (% en peso) Ej. 12 (% en peso) Ej. 13 (% en peso)
SiO2
69,51 76,53 74,50 72,98 72,80 72,82
Al2O3
15,28 5,00 15,37 14,49 14,39 14,40
MgO
10,20 11,94 5,00 9,09 8,94 8,96
CaO
1,06 1,80 1,12 0,00 0,53 0,53
Li2O
3,44 3,65 3,46 3,30 3,25 3,29
Na2O
0,51 1,08 0,55 0,14 0,09 0,00
Sustancias quimicas
Ej. 8 (% en peso) Ej. 9 (% en peso) Ej. 10 (% en peso) Ej. 11 (% en peso) Ej. 12 (% en peso) Ej. 13 (% en peso)
Propiedad
Viscosidad de formacion (Log 3 Temperatura) (°C)
1365 1320 1518 1444 1437 1447
Temperatura liquidus (°C)
1263 1328 1269 1274 1268 1268
Delta-T (°C) (Temperatura formacion - liquidus)
102 -8 249 170 169 180
Densidad (g/cc)
2,45 2,43 2,38 2,41 2,42 2,42
Modulo (Gpa)
85,5 82,7 81,5 83,6 83,7 83,6
Resistencia espedfica (MJ/kg)
1,85 1,74 2,01 1,95 1,91 1,95
Modulo espedfico (MJ/kg)
34,9 34,1 34,2 34,7 34,6 34,6
Mirando en las Tablas 4 y 5, se puede concluir que las composiciones de vidrio de los Ejemplos 1-13 tienen temperature de viscosidad de formacion (temperatura de formacion de fibras) que son aplicables para su uso en hornos refractarios. Los valores del modulo espedfico para los vidrios supera, en algunos casos, los del vidrio R 5 comercial (de aproximadamente 34,1 MJ/Kg) y la resistencia espedfica supera, en algunos casos, la del vidrio S2 comercialmente disponible de AGY (aproximadamente 2,01 MJ/Kg). Ademas, se puede concluir que estos vidrios son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren al mismo tiempo una resistencia y rigidez que sean iguales o superiores al vidrio R (por ejemplo, turbinas eolicas). Ademas, la densidad de algunos de los vidrios mostrados en las Tablas 4 y 5 son muy bajas, lo que permite que estos vidrios se utilicen en aplicaciones 10 aeroespaciales. Este vidrio tiene propiedades similares a las del vidrio S2, cuya tenacidad es muy buena.
La invencion de la presente aplicacion se ha descrito anteriormente tanto de una forma generica como con respecto a realizaciones espedficas. Aunque la informacion se ha definido en lo que se cree que son las realizaciones preferidas, se puede seleccionar una amplia variedad de alternativas conocidas del experto en la materia dentro de 15 la divulgacion generica. La invencion no esta limitada de ninguna manera, salvo en lo estipulado por las reivindicaciones definidas a continuacion.

Claims (19)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Una composicion para preparar fibras de vidrio ligeras de elevada resistencia que comprende:
    SiO2 en una cantidad de aproximadamente 69,5 a aproximadamente 80,0 % % en peso de la composicion total, AI2O3 en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 18,5 % en peso en peso de la composicion total,
    CaO en una cantidad de 0,0 a aproximadamente 3.0 % en peso en peso de la composicion total,
    MgO en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 14,75 % en peso en peso de la composicion total,
    Li2O en una cantidad de aproximadamente 3,25 a aproximadamente 4,0 % en peso en peso de la composicion total, y
    Na2O en una cantidad de 0,0 a aproximadamente 2.0 % en peso en peso de la composicion total.
  2. 2. La composicion de vidrio de la reivindicacion 1, donde el AhO3 esta presente en una cantidad de aproximadamente 9,0 a aproximadamente 15.4 % en peso en peso de la composicion total, y el MgO esta presente en una cantidad de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 10,2 % en peso de la composicion total.
  3. 3. La composicion de la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, donde dicha composicion esta practicamente exenta de B2O3 y fluor.
  4. 4. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde dicha composicion tiene un AT de hasta aproximadamente 250 °C.
  5. 5. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde dicha composicion tiene una temperatura log 3 de aproximadamente 1255 °C o de aproximadamente 1300 °C a aproximadamente 1550 °C.
  6. 6. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde dicha composicion tiene una temperatura del liquidus no superior a aproximadamente 1510 °C.
  7. 7. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde los componentes de dicha composicion se funden en un recipiente crisol refractario.
  8. 8. Una fibra de vidrio continua y ligera de alta resistencia producida a partir de una composicion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
  9. 9. La fibra de vidrio de la reivindicacion 8, donde la fibra de vidrio tiene un modulo espedfico de aproximadamente 33,9 MJ/kg a aproximadamente 35,0 MJ/kg y una resistencia espedfica de aproximadamente 1,74 MJ/kg a aproximadamente 2,09 MJ/kg.
  10. 10. La fibra de vidrio de la reivindicacion 8 o la reivindicacion 9, donde dicha fibra de vidrio tiene una resistencia a la traccion de la fibra virgen entre aproximadamente 4200 y aproximadamente 5000 MPa, un modulo entre aproximadamente 80 y aproximadamente 86 GPa, y una densidad entre aproximadamente 2,35 y aproximadamente
  11. 2.46 g/cc.
  12. 11. Un metodo para formar una fibra de vidrio continua de alto rendimiento que comprende:
    proporcionar una composicion de vidrio fundido que incluye una composicion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7; y estirar dicha composicion de vidrio fundido a traves de los orificios de un casquillo para formar una fibra de vidrio continua.
  13. 12. El metodo de la reivindicacion 11, donde la fibra de vidrio tiene un modulo espedfico de aproximadamente 33,9 MJ/kg a aproximadamente 35,0 MJ/kg y una resistencia espedfica de aproximadamente 1,74 MJ/kg a aproximadamente 2,09 MJ/kg.
  14. 13. El metodo de reivindicacion 11 o la reivindicacion 12, donde dicha fibra de vidrio tiene una resistencia a la traccion de la fibra virgen entre aproximadamente 4200 y aproximadamente 5000 MPa, un modulo entre aproximadamente 80 y aproximadamente 86 GPa, y una densidad entre aproximadamente 2,35 y aproximadamente
  15. 2.46 g/cc.
  16. 14. Un producto compuesto reforzado que comprende: una matriz polimerica; y
    una pluralidad de fibras de vidrio, produciendose dichas fibras de vidrio a partir de una composicion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 o fibras de vidrio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10.
  17. 15. El producto compuesto de la reivindicacion 14, donde dicha matriz de poUmero es un poUmero termoplastico seleccionado entre poliesteres, polipropileno, poliamida, politereftalato de etileno, polibutileno y combinaciones de los mismos.
    5 16. Un metodo para preparar un producto compuesto reforzado que comprende combinar al menos un material de
    matriz polimerica y una pluralidad de fibras de vidrio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10.
  18. 17. El uso de la fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 o preparada de acuerdo con el metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 para formar un producto compuesto reforzado.
    10
  19. 18. El uso de la reivindicacion 17 donde el producto compuesto reforzado es una turbina eolica.
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