ES2628209T3

ES2628209T3 - Composición de fibra cerámica soluble en soluciones salinas

Info

Publication number: ES2628209T3
Application number: ES10174684.0T
Authority: ES
Inventors: Jin Heuk Lee; Si Moo Lee; Hong Kyeom Kim; Won Sik Jung
Original assignee: KCC Corp
Current assignee: KCC Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: CA2780837A1; AU2010325427A1; MX2012006063A; WO2011065698A2; EP2327667B1; JP6109802B2; CN102666436B; JP2015027948A; BR112012012651A2; US20120231274A1; HK1174324A1; WO2011065698A3; CA2780837C; ZA201204292B; NZ599947A; US8932968B2; KR20110059067A; JP2013512169A; RU2012125634A; RU2521205C2

Abstract

Composición de fibra cerámica biodegradable como aislante de altas temperaturas que comprende del 58 al 67% en peso de SiO2, del 26 al 34% en peso de CaO, del 2 al 8% de MgO, del 0,1 al 0,7% en peso de Al2O3, del 0,2 al 1,1% en peso de B2O3, del 0,3 al 1,1% en peso de B2O3+Na2O+K2O y el 1% en peso o menos de una impureza seleccionada entre TiO2 o Fe2O3.

Description

DESCRIPCION

Composicion de fibra ceramica soluble en soluciones salinas.

5 Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a una composicion de fibra ceramica soluble en soluciones salinas para su uso como aislante para altas temperaturas, espedficamente, una composicion con un incremento en la solubilidad en un fluido corporal salino artificial, que contiene SiO2 como oxido formador de red, CaO y MgO como oxido modificado, 10 Al2O3 como oxido intermedio, B2O3 actuando simultaneamente como fundente y oxido de red, y Na2O y K2O actuando como fundente, todos en las cantidades adecuadas, con el fin de formular una composicion de fibra ceramica para su uso como aislante para altas temperaturas con una excelente solubilidad en soluciones salinas. Ademas, la presente invencion se refiere a una composicion con una solubilidad mejorada (biodegradabilidad) en un fluido corporal salino, asf como al rendimiento mejorado de la produccion durante los procesos de preparacion de 15 alta temperatura, en comparacion con las composiciones de fibra ceramica solubles en una solucion salina ya existentes, debido a la elevada resistencia termica obtenida al regular la cantidad de B2O3 + Na2O + K2O contenida como fundente.

Antecedentes de la invencion

20

Las fibras de ceramica poseen bajas conductividades termicas, asf como formas alargadas, por lo que han sido utilizadas como materiales calonfugos, materiales refrigerantes, aislantes, aislantes acusticos, materiales acusticos y filtros.

25 “Fibras para un aislante refractario” es la denominacion colectiva que reciben las fibras refractarias que se pueden utilizar a 600 °C o mas, que es la temperatura de servicio de la lana mineral. Las mantas aislantes fibrosas para altas temperaturas se clasifican en cinco grupos, del tipo 1 (732 °C) al tipo 5 (1649 °C), segun ASTM C982, en funcion de los coeficientes de contraccion durante el calentamiento a alta temperatura. Una “temperatura de servicio segura” para las fibras se suele definir como la temperatura a la que se produce una contraccion lineal del 5% o menos 30 durante el calentamiento a la temperatura oportuna durante 24 horas.

Las fibras que se utilizan mas habitualmente para los aislantes refractarios son fibras a base de AhO3-SiO2 (RCF- AS), cuyas temperaturas de servicio seguras se encuentran entre 1.100 y 1.260 °C. La tecnica anterior conocida relativa a las fibras a base de Al2O3-SiO2 es la siguiente. En las patentes de EE. UU. n.° 2.873.197 y 4.555.492, se 35 describen fibras a base de A^O3-SiO2-ZrO2 (RCF-ASZ), en las que se anade una cierta cantidad de componente ZrO2 a la composicion a base de A^O3-SiO2, y se describe que la temperatura de servicio segura de dichas fibras se incrementa hasta 1.430 °C.

En la patente de EE. UU. n.° 4.055.434, se describe una composicion de fibras, en la que se anade, como maximo, 40 el 16% de dolomfa calcinada como materia prima de CaO y MgO a la composicion a base de A^O3-SiO2, y se describe que dichas fibras poseen una temperatura de resistencia termica entre 760 y 1.100 °C. En la patente de EE. UU. n.° 3.687.850, se describen fibras de sflice con un contenido de SiO2 del 76 al 90% y un contenido de A^O3 del 4 al 8%, con una resistencia termica de hasta 1.093 °C sin precipitar su sustancia cristalina que se preparan mediante la adicion de un acido a una composicion de fibras compuesta por SiO2, A^O3, R2O, Ro y B2O3, para 45 disolver en la misma los componentes RO, R2O y B2O3. Las caractensticas de resistencia termica y disolucion de un acido determinan las fibras convencionales para un aislante refractario, pero no se tienen en cuenta las caractensticas de disolucion de una solucion salina tal como un fluido corporal artificial. Ademas, debido a que las fibras poseen un elevado contenido de A^O3 (4% o mas), la solubilidad en medios fisiologicos puede ser baja.

50 Un reciente informe descubrio que las fibras finas trituradas que presentan una baja solubilidad en medios fisiologicos podnan ser inhaladas con la respiracion y pasar a los pulmones, lo cual producina efectos perjudiciales para el organismo. Por lo tanto, se han realizado recientemente composiciones de fibras inorganicas para minimizar los efectos perjudiciales y para obtener propiedades ffsicas de alta temperatura mediante el aumento de la solubilidad en medios fisiologicos.

55

La tecnica anterior referente a composiciones de fibra de vidrio que son muy solubles en medios fisiologicos es la siguiente. Existen composiciones de vidrio bioabsorbibles que contienen CaF2, ZnO, SrO, Na2O, K2O, Li2O, y similares, ademas de CaO y P2O5 [patente de EE. UU. n.° 4.604.097]; composiciones de fibra que contienen P2O5, y similares, la composicion de fibra de vidrio de borosilicato de cal sodada existente [publicacion internacional 60 WO92/0781]; y composiciones de fibra que contienen elevadas cantidades de B2O3 en la composicion de

borosilicato de cal sodada ademas de Na2O, y similares [patente de EE. UU. n.° 5.055.428]. No obstante, debido a que dichas composiciones suelen estar compuestas por zonas constituyentes con un componente R2O, presentan el inconveniente de su baja resistencia termica. Asf, no tienen temperatura de servicio segura y se utilizan normalmente como aislantes para edificios a 350 °C o menos. Por tanto, existen limitaciones en la utilizacion de 5 materiales biodegradables a altas temperaturas.

Ademas, se ofrecen los siguientes ejemplos de composiciones de fibras como fibras refractarias con una alta solubilidad en un fluido corporal artificial y que se pueden utilizar a alta temperatura. Existen composiciones de fibras modificadas que presentan un incremento en su solubilidad en un fluido corporal artificial y cuyas caractensticas 10 refractarias mejoran mediante una disminucion en la cantidad de A^O3 y un aumento en la cantidad de CaO y MgO en las composiciones de lana mineral existentes que consisten en CaO, MgO, SO2 y A^O3 [publicacion internacional n.° WO87/05007]; en composiciones de fibra obtenidas mediante la adicion de MgO, oxido alcalino, A^O3, ZrO2, B2O3 y Fe2O3 a SiO2 y CaO [publicacion internacional n.° WO89/12032]; y en composiciones de fibras con una temperatura de servicio de 800 a 1.000 °C mediante la disminucion de la cantidad de A^O3 con respecto al SiO2, 15 CaO y MgO [publicacion internacional n.° WO93/15028]. No obstante, dichas composiciones son unicamente composiciones de fibras que solo se pueden utilizar en ambitos en los que la temperatura de servicio segura es de 815 °C, 1.000 °C (coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento del 5% o menos durante 24 horas). Ademas, dichas composiciones de fibras no comprenden ningun componente fundente, lo cual hace inevitable la reduccion en el rendimiento de produccion y en el caracter biodegradable.

20

Ademas, a continuacion se ofrecen ejemplos de composiciones de fibra con la temperatura de servicio de seguridad mas alta posible de 1.260 °C, asf como una buena solubilidad en fluido corporal artificial. En la publicacion internacional n.° WO94/15883, se describen unas zonas de la composicion de fibras que presentan una cantidad de SiO2 superior a 21,8 mol% tras la adicion de A^O3 y ZrO2 a composiciones a base de SiO2, CaO o MgO. Se 25 menciona que las zonas con un alto contenido en SiO2, tal como 70,04 mol%, 73,09 mol% o 78,07 mol%, son diffciles (alto contenido de material no fibroso) o imposibles de formar en las fibras.

En la publicacion internacional n.° WO97/16386, se describen composiciones de fibra biodegradables consistentes en MgO y SiO2 en zonas con un alto contenido de SiO2 y que contienen el 1% o menos de CaO y del 0 al 2% de 30 Al2O3, ZrO2 y B2O3 como modificador de viscosidad. Las zonas tambien presentan un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento del 4,5% o menos a 1.260 °C y se forman facilmente en las fibras. No obstante, los artfculos de fibras de estas zonas poseen un gran diametro medio y, por tanto, una elevada conductividad termica y un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento relativamente alto (3% o mas) a la temperatura de servicio segura. Ademas, las fibras poseen una biodegradabilidad muy baja con respecto a las fibras preparadas 35 segun la presente invencion, ya que se utilizaba un exceso de SiO2 para aumentar la temperatura de servicio segura y debido a que el deterioro en la calidad es inevitable, incluido el descenso del rendimiento de produccion, el incremento del polvo en las fibras preparadas y la reduccion en la resistencia a la tension de los productos.

Arriba se explican ejemplos representativos de las composiciones de fibra ceramica desarrolladas. Segun la tecnica 40 anterior que se expone mas arriba, las composiciones de fibra ceramica requieren las siguientes propiedades ffsicas.

Un procedimiento para transformar composiciones de fibra ceramica en fibras comprende un proceso de soplado para la formacion de fibras mediante aire comprimido o vapor, un proceso de hilatura para la formacion de fibras en el que se deja caer una masa fundida sobre un cilindro que gira a gran velocidad, y similares. Una viscosidad ideal 45 para las composiciones de fibra que toman la forma de fibras mediante los procesos de hilatura o soplado debena estar entre 20 y 100 poises, o similar a la viscosidad de las composiciones a base de SiO2-A^O3 existentes. Si la viscosidad es demasiado alta a la temperatura de formacion de las fibras, el diametro de la fibra se hace demasiado grande, lo que da lugar a la produccion de materiales gruesos no fibrosos (shot). Si el diametro es demasiado pequeno, las fibras se vuelven cortas y finas, lo que da lugar a la produccion de materiales finos no fibrosos (shot). 50 Por lo general, debido a que la viscosidad de una solucion vttrea depende de la composicion y temperatura del vidrio, la composicion apropiada debena estar disenada para mantener la viscosidad de formacion de fibras apropiada. En el caso de las composiciones de elevada viscosidad, toman la forma de fibras a alta temperatura. Por tanto, se debe controlar la viscosidad apropiada cerca de la temperatura de formacion de fibras.

55 Ademas, las fibras ceramicas para su utilizacion como aislantes de alta temperatura poseen una elevada resistencia termica que permanece constante incluso tras la exposicion a la temperatura de servicio. Por lo tanto, como material de horno, poseen una durabilidad excelente incluso si se someten a repetidos esfuerzos termicos. La temperatura de servicio de las fibras ceramicas esta relacionada con la contraccion a dicha temperatura. La contraccion de los artfculos de fibra se ve afectada por la viscosidad de la composicion de fibra vttrea a alta temperatura, el tipo y la 60 cantidad de cristales que se producen y crecen tras la exposicion al calor, la temperatura de precipitacion de los

cristales y la viscosidad a alta temperatura de la fase vftrea restante tras la precipitacion de los cristales. Debido a que los cristales precipitados a alta temperatura suelen poseer una gravedad espedfica mayor en comparacion con las fibras vftreas, se produce una tension en las superficies de contacto de los cristales debido a la precipitacion y el crecimiento de los cristales, por lo que las fibras se cortan o modifican para la contraccion. Cuando hay fibras 5 presentes en una fase vftrea sin precipitacion a alta temperatura, se reducira de manera gradual su viscosidad a una temperatura relativamente baja, lo cual da lugar a un incremento de la contraccion. Ademas, si la temperatura a alta viscosidad de la fase vftrea restante tras la precipitacion de los cristales es baja, se incrementa la contraccion de la fibra posterior a la sinterizacion y modificacion en fase ftquida mediante un flujo viscoso. De este modo, las fibras hechas de una composicion con un bajo mdice de contraccion a alta temperatura debenan precipitar como cristales

10 a una cantidad, velocidad y temperatura apropiadas. Ademas, la solubilidad de las fibras ceramicas expuestas a una alta temperatura en el fluido corporal artificial permanece constante. Por lo tanto, es importante seleccionar una composicion que se funda y forme fibras con facilidad, que posea un bajo coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento y presente una elevada solubilidad en un fluido corporal artificial.

15 Ademas, la lana de vidrio, la lana mineral y las fibras ceramicas poseen unas excelentes caractensticas de disolucion con respecto al amianto, un agente cancengeno comprobado y, por tanto, no se ha demostrado que sean nocivas. Aunque se cree que la solubilidad de las fibras en un fluido corporal artificial guarda correlacion con la nocividad, de acuerdo con un examen toxicologico realizado mediante ensayos con animales, las fibras con una constante de velocidad de disolucion (Kdis) de 100 ng/cm2hr o mas no provocan fibrosis ni tumores [Inhalation

20 Toxicology, 12:269-280, 2000, Estimating in vitro glass fiber dissolution rate from composition, Walter Eastes]. La constante de velocidad de disolucion (Kdis) de las fibras biodegradables desarrolladas en la actualidad se encuentra en el intervalo de 300 a 600 ng/cm2hr. La presente invencion esta dirigida a proporcionar una composicion de fibra con la minima nocividad con respecto a las fibras ceramicas biodegradables existentes, fijando la solubilidad de base de composiciones de fibra ceramica en un fluido corporal artificial en 700 ng/cm2hr o mas.

25

En el documento US 5714421 A, se describen fibras de vidrio para su instalacion. En particular, el documento desvela una composicion de vidrio que consiste en (en % en peso): SiO2 58,6; A^O3 0,58; ZrO2 3,57; MgO 2,72 y CaO 33,5 (ejemplo 191).

30 El documento WO 2006/048610 A1 tiene como objetivo mejorar las propiedades mecanicas de las fibras de silicatos alcalinoterreos refractarias, y propone la presencia de un metal alcalino (por ejemplo, Na2O).

Resumen de la invencion

35 La presente invencion tiene como objetivo proporcionar una composicion de fibra ceramica biodegradable como aislante para altas temperaturas con unas caractensticas termicas excelentes, tales como la resistencia termica, en la que la nocividad para el organismo humano se minimiza y las fibras se pueden preparar con facilidad y con un rendimiento mejorado empleando equipos de produccion existentes.

40 La presente invencion proporciona fibras ceramicas con unas excelentes propiedades ftsicas a alta temperatura y una biodegradabilidad mejorada que regulan un oxido formador de red (SiO2) que se utiliza como base para fibras inorganicas que constituyen un aislante de alta temperatura, un oxido modificado (CaO, MgO), un oxido intermedio (Al2O3), con B2O3 actuando simultaneamente como oxido de red y fundente, y un fundente (Na2O, K2O), todos ellos en las cantidades apropiadas. En particular, proporciona fibras ceramicas con constantes de velocidad de disolucion

45 y rendimientos mejorados mediante la regulacion de las cantidades de B2O3 y Na2O en comparacion con las fibras ceramicas biodegradables existentes.

Las fibras ceramicas biodegradables como aislantes para altas temperaturas preparadas mediante la presente composicion poseen una solubilidad mejorada en un fluido corporal artificial, en comparacion con las fibras

50 ceramicas conocidas y las fibras ceramicas biodegradables conocidas, de manera que se pueden disolver con facilidad incluso tras ser inhaladas y entrar en el organismo humano. De este modo, se reduce la nocividad para el organismo humano. Ademas, las fibras ceramicas biodegradables presentan un coeficiente de contraccion lineal inferior al 3% durante el calentamiento (mantenido a 1.100 °C durante 24 horas), asf como unas excelentes caractensticas de biodegradabilidad, termicas y mecanicas iguales a las de los aislantes para altas temperaturas ya

55 existentes. Ademas, debido a que comprenden una cantidad apropiada de fundente, se puede reducir la cantidad de materiales no fibrosos y mejorar el rendimiento de produccion.

Descripcion detallada de la invencion

60 La presente invencion se refiere a una composicion de fibra ceramica biodegradable como aislante para altas

temperaturas que comprende del 58 al 67% en peso de SiO2, del 26 al 34% en peso de CaO, del 2 al 8% de MgO, del 0,1 al 0,7% en peso de A^O3, del 0,2 al 1,1% en peso de B2O3, del 0,3 al 1,1% en peso de B2O3+Na2O+K2O y el 1% en peso o menos de una impureza seleccionada entre TiO2 o Fe2O3. La presente invencion se caracteriza por tener un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento del 3% o menos a 1.100 °C, as^ como una 5 constante de velocidad de disolucion en un fluido corporal artificial de 700 ng/cm2hr.

A continuacion se explican detalladamente las composiciones ceramicas biodegradables como aislantes de altas temperaturas segun la presente invencion.

10 El SiO2, una base para las fibras ceramicas segun la presente invencion, representa del 58 al 67% en peso del total de la composicion de fibra. Si la cantidad de SiO2 es inferior al 58% en peso, la resistencia termica, la propiedad ffsica mas basica de las fibras ceramicas como aislantes para altas temperaturas, asf como la productividad, se deterioraran rapidamente, ya que la disminucion en la viscosidad a alta temperatura incrementa el mdice de formacion como material no fibroso. Por otra parte, si la cantidad excede el 67% en peso, la viscosidad para la

15 formacion de la composicion a modo de fibras, el diametro de las fibras y la cantidad de material no fibroso (shot) aumentan, por lo que se produce una perdida de calidad para todas las propiedades ffsicas, por ejemplo, el tacto del producto, la resistencia a la tension y similares.

Ademas, la composicion de fibra ceramica biodegradable segun la presente invencion comprende una cierta

20 cantidad de un oxido modificado, CaO y MgO, para la mejora de la solubilidad de las fibras preparadas en un fluido corporal artificial. El CaO constituye del 26 al 34% en peso del total de la composicion de fibra. Si la cantidad de CaO es inferior al 26% en peso, se reducira la biodegradabilidad de las fibras en un fluido corporal artificial. Si la cantidad de CaO supera el 34% en peso, aumentan la estabilidad y el coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento, ya que se incrementa la cantidad de cristales precipitados sobre las fibras preparadas, de manera

25 que la cantidad de SiO2 en las fibras se reduce relativamente. El otro oxido modificado anadido para aumentar la biodegradabilidad de las fibras, MgO, constituye del 2 al 8% en peso, o mas preferentemente, del 4 al 7% en peso del total de la composicion de fibra. Si la cantidad de MgO es inferior al 2% en peso, se reducira la biodegradabilidad de las fibras en un fluido corporal artificial, o se reducira en las fibras preparadas el efecto de inhibicion del crecimiento de cristales debido al efecto alcalino mixto. Si la cantidad de MgO supera el 8% en peso, la viscosidad

30 de formacion de las fibras aumentara, mientras que la temperatura de fusion de las fibras disminuira, ya que el punto de fusion esta proximo a la zona del punto eutectico del diopsido y la wollastonita. Ademas, tambien se puede lograr el efecto deseado de la presente invencion con materias primas que sean relativamente economicas, por ejemplo, dolomfa, caliza y similares, en lugar del compuesto puro, como componente de MgO en la formulacion de la presente composicion de fibra.

35

La presente invencion comprende A^O3 como oxido intermedio. El A^O3 constituye del 0,1 al 0,7% en peso del total de la composicion de fibra. Si la cantidad de A^O3 supera el 1% en peso, se reducira la solubilidad de las fibras en un fluido corporal artificial y descendera la temperatura de resistencia termica.

40 Ademas, la presente composicion de fibra tambien comprende un oxido de bajo punto de fusion para formar vidrio (B2O3, Na2O, K2O o una combinacion de los mismos) para mejorar la solubilidad en un fluido corporal artificial de las fibras preparadas. El B2O3 se encuentra en el intervalo del 0,2 al 1,1% en peso y se puede anadir Na2O+K2O de manera que B2O3+Na2O+K2O se encuentre en el intervalo del 0,3 al 1,1% en peso. En particular, el B2O3 y el Na2O anadidos reducen la viscosidad para la formacion de fibras durante la preparacion de fibras ceramicas y mejoran la

45 productividad al tiempo que reducen la proporcion de material no fibroso. Tambien mejoran la biodegradabilidad en un fluido corporal artificial salino. Ademas, B2O3 actua como fundente durante la fusion a alta temperatura para una menor relacion termica durante la formacion de las fibras, asf como un oxido estructural en la composicion de fibra ceramica para el mantenimiento de la estabilidad estructural.

50 Para mejorar la biodegradabilidad de la composicion de fibra segun la presente invencion, se debe cumplir la siguiente formula general.

Formula general 1

1 < (% en peso de MgO) / (% en peso de B2O3 y Na2O, en total) < 23

55 Si la proporcion en peso de los componentes de la anterior formula general 1 es inferior a 1, las fibras seran diffciles de utilizar como aislante refractario debido a la disminucion de la resistencia termica. Si la proporcion excede de 23, la viscosidad para la formacion de fibras se incrementa, y se reduce el rendimiento de produccion debido al incremento en el diametro de las fibras.

60 La composicion de fibra ceramica biodegradable como aislante para altas temperaturas segun la presente invencion

puede comprender un 1% en peso o menos de una impureza tal como TO2 o Fe2O3 en el total de la composicion de fibra. Dicha impureza se puede introducir dependiendo de la pureza de las materias primas que se vayan a utilizar para la preparacion de dicha composicion de fibra. No obstante, si la cantidad de impureza supera el 1% en peso, la reaccion de los componentes de dicha composicion de fibra se ve obstaculizada debido a la degeneracion de las 5 propiedades ffsicas de las fibras preparadas.

Las fibras ceramicas segun la presente invencion, preparadas con la composicion de fibra que se indica anteriormente, poseen un contenido en material no fibroso (shot) inferior al 40%, un diametro de fibra medio de 6 pm o menos, un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento (mantenido a 1.100 °C durante 24 horas) del 10 3% o menos, asf como una constante de velocidad de disolucion en un fluido corporal artificial de 700 ng/cm2hr o mas. Ademas, las fibras ceramicas segun la presente invencion poseen las anteriores caractensticas, ademas de ser economicamente viables, ya que se preparan mediante procesos convencionales.

Al mismo tiempo, se puede aplicar un procedimiento de soplado o hilatura a la formacion de fibras utilizando la 15 presente composicion de fibra ceramica. Al aplicar el procedimiento anterior, el intervalo de viscosidad requerida para la composicion de fibra es de 20 a 100 poises. La viscosidad del material fundido se puede representar mediante una funcion de la temperatura y la composicion correspondiente, en la que la viscosidad del material fundido que posee la misma composicion depende de la temperatura. Cuando la temperatura de la solucion fundida durante la formacion de fibras es elevada, se reduce la viscosidad. Y al contrario, cuando la temperatura para la 20 formacion de fibras es baja, aumenta la viscosidad, de manera que la formacion de fibras se ve afectada. Si la viscosidad de la composicion de fibra es demasiado baja a la temperatura de formacion de fibras, las fibras resultantes seran cortas y finas y se produciran como materiales no fibrosos (shot) con un rendimiento reducido. Ademas, si la viscosidad de la composicion de fibra es demasiado elevada a la temperatura de formacion de fibras, entonces las fibras tendran un gran diametro y se formaran como materiales gruesos no fibrosos (shot). Por lo tanto, 25 para obtener las caractensticas ffsicas apropiadas durante la formacion de las fibras, las caractensticas (diametro de fibra, cantidad de materiales no fibrosos) de las fibras preparadas se puede medir en comparacion con la RCF existente (a base de A^O3-SiO2).

EJEMPLOS

30

La presente invencion se explica de manera mas detallada mediante los siguientes ejemplos segun la presente invencion, cuyo alcance no se ve limitado por los mismos.

Procedimiento de medicion

35

1. Diametro medio de parffcula de fibra: El diametro medio de la fibra se midio ampliando la imagen un objeto 1.000 veces o mas mediante un microscopio electronico, y repitiendo despues la medicion 500 veces o mas.

2. Cantidad de material no fibroso: De acuerdo con lo estipulado en ASTM C892, se midio la cantidad de material no 40 fibroso. Es decir, las fibras ceramicas se sometieron a un tratamiento termico a 1.260 °C durante 5 horas, tras lo cual

se pesaron aproximadamente 10 g de la muestra con exactitud hasta los 0,0001 g (W0). La muestra pesada se vertio posteriormente sobre un tamiz con una apertura de malla de 30 y se comprimio con una varilla de caucho hasta que paso a traves del tamiz.

45 El material que atraveso el anterior tamiz se volvio a pasar a traves de tamices con aperturas de malla de 50 y 70. Se pesaron (W1) las parffculas que permanecieron en cada tamiz y se calculo la cantidad de material no fibroso (Ws) mediante la siguiente formula matematica 1.

Formula matematica 1 50

WS = W x 100 S W0

en la que Ws representa la cantidad de material no fibroso, W0 representa el peso de las parffculas iniciales y W1 representa el peso del resto de parffculas.

Rendimiento de produccion: la proporcion de la cantidad total de material fibroso en el material fundido colado durante un cierto periodo de tiempo se calculo mediante la siguiente formula matematica 2.

Formula matematica 2

Rendimiento de produccion (%) = [la cantidad total de material fibroso/hora] / [la cantidad total de material fundido colado/hora].

4. Coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento: Las propiedades ffsicas del aislante refractario a altas temperaturas preparado se midieron como un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento, que se suele medir basandose en el cambio en la longitud del material moldeado obtenido a partir de las fibras preparadas. Para medir el coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento de las fibras ceramicas, las fibras se 10 prepararon a modo de muestra con una almohadilla. En primer lugar, se liberaron suficientemente 220 g de fibras en una solucion de almidon al 0,2% y se vertieron en un molde de 300 x 200 mm. Despues de que se ajustaran las fibras liberadas para que presentaran una baja discrepancia de caras, se preparo una almohadilla drenando a traves del fondo del molde. Dicha almohadilla se seco suficientemente en un horno a 50 °C durante 24 horas o mas y despues se corto hasta obtener un tamano de 150 x 100 x 25 mm, sobre la cual se marcaron unos puntos de 15 medicion con un material con la suficiente resistencia termica, como el platino o una ceramica. Despues, se midio con un pie de rey la distancia entre los puntos de medicion, tras lo cual, dicha almohadilla se introdujo en un horno, calentado a 1.100 °C durante 24 horas y 168 horas, y despues se enfrio lentamente. Se midieron las distancias entre los puntos de medicion en dicha muestra enfriada, tras lo cual se compararon los resultados de antes y despues del tratamiento termico y se calculo el coeficiente de contraccion lineal mediante la siguiente formula matematica 3.

20

Formula matematica 3

I — l

Coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento (%) = —-----1 x 100

l0

en la que 10 representa la distancia minima (mm) entre las marcas de la muestra y I1 representa la longitud (mm) 25 entre las marcas de la muestra tras el calentamiento.

5. Constante de velocidad de disolucion en un fluido corporal artificial; Se utilizo el siguiente procedimiento para determinar la solubilidad de las fibras preparadas en un fluido corporal artificial. El procedimiento experimental detallado ha sido descrito por Law y col. (1990). La biodegradabilidad interna de las fibras ceramicas se evaluo 30 basandose en la solubilidad de las fibras en un fluido corporal artificial. En comparacion con los tiempos de retencion interna basados en dicha solubilidad, la constante de velocidad de disolucion (Kdis) se calculo mediante la siguiente formula matematica 4.

Formula matematica 4 35

Kdis

d0 P,

1

M

Mq

2t

en la que do representa el diametro inicial medio de la fibra, p representa la densidad inicial de la fibra, Mo representa el peso inicial de la fibra, M representa el peso de las fibras restantes tras la disolucion y t representa el tiempo 40 experimental. El peso inicial de la fibra se cuantifico basandose en el area de la superficie espedfica, que se midio mediante un analizador automatico del area de la superficie (BET).

Las cantidades de elementos constituyentes incluidos en 1L de fluido corporal artificial (solucion Gamble) se representan en la siguiente tabla 1.

45

Tabla 1

Componentes del fluido corporal artificial: Cantidad (g/L)

NaCl: 7,120

MgCl2-6H20: 0,212

CaCl2-2H20: 0,029

Na2SO4: 0,079

Na2HPO4: 0,148

NaHCO3: 1,950

Tartrato sodico2H2O: 0,180

Citrato sodico2H2O: 0,152

Acido lactico al 90%: 0,156

Glicina: 0,118

Piruvato sodico: 0,172

Las presentes fibras ceramicas y las fibras inorganicas disponibles comercialmente se vertieron entre finas capas de un filtro de membrana de policarbonato de 0,2 pm fijado en un soporte de filtro de plastico, a traves del cual se filtro el anterior fluido corporal artificial con el fin de medir la constante de velocidad de disolucion. A lo largo del 5 experimento, el fluido corporal artificial se controlo para que tuviera una temperatura de 37 °C, una velocidad de flujo de 135 mL^a y un pH constante de 7,4±0,1 en un gas de CO2/N2 (5/95%). Las fibras se lixiviaron durante 21 dfas para medir la solubilidad, y se analizaron los iones disueltos en el fluido corporal artificial y filtrados a intervalos espedficos (1, 4, 7, 11, 14 y 21 dfas) mediante un espectrometro de plasma de acoplamiento inductivo (ICP). Despues se calculo la constante de velocidad de disolucion (Kdis) a partir de los resultados mediante la formula 10 matematica 4.

Ejemplo experimental 1: materiales no fibrosos y rendimiento de produccion

La composicion de fibra ceramica se preparo segun un procedimiento ordinario, a partir de los elementos 15 constituyentes representados en la tabla 2 que se muestra a continuacion, y posteriormente se prepararon las fibras ceramicas segun el proceso existente para fibras inorganicas a base de RCF. Se midio el diametro medio de partfcula de fibra, la cantidad de material no fibroso y el rendimiento de produccion de las fibras ceramicas preparadas y los resultados se muestran en la tabla 2.

20 En la tabla 2 que se muestra a continuacion, el ejemplo comparativo 1 (fibras a base de AhO3-SiO2) y el ejemplo comparativo 4 (fibras a base de AhO3-SiO2-ZrO2) son ejemplos de las fibras ceramicas en general existentes, mientras que el ejemplo comparativo 5 (fibras a base de Al2O3-SiO2-CaO-MgO-ZrO2) es una composicion representativa de las fibras ceramicas biodegradables existentes.

25 Tabla 2


: Ejemplo Ejemplo comparativo

1: 2 3 4 5 1 2 3 4 5

Componente (% en peso): SiO2 66,3 62,1 62,5 66,5 59,8 49,5 62,8 67,2 64,9 77,5

CaO: 26,5 31,2 30,7 29,3 33,5 31,3 20,1 14,9

MgO: 6,5 5,6 5 2,9 6 5,2 12,5 4,9

Al2O3: 0,1 0,6 0,6 0,5 0,2 49,9 0,5 19,8 0,2

B2O3: 0,5 0,2 1,1 0,6 0,2 0,3

Na2O: 0,1 0,2

ZrO2: 14,9 1,8

Impureza: 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,6 0,2 0,2 0,4 0,4

Suma: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Diametro medio de partfcula (pm): 3,7 3,8 3,7 3,9 3,8 3,7 3,9 3,4 3,8 4,5

Material no fibroso (%): 32 30 28 33 31 30 36 40 32 40

Rendimiento de produccion (%): 72 73 77 75 76 80 63 67 52 60

Las fibras con un gran diametro medio de partfcula de fibra y secciones transversales rugosas presentan una

disminucion en los efectos aislantes del calor asf como el inconveniente de un manejo desagradable. No obstante, el diametro medio de partfcula de las fibras preparadas con los componentes de la presente invencion es de entre 3,7 y 3,9 pm, que es inferior al de las fibras ceramicas disponibles comercialmente (6 pm). Debido a que el diametro medio de partfcula de fibra es pequeno, el efecto aislante del calor debena ser excelente.

5

En comparacion con la cantidad de material no fibroso, las presentes fibras constituyen del 28 al 33% del total de la composicion, mientras que las fibras ceramicas existentes, ejemplos comparativos 1, 4 y 5, constituyen del 30 al 40%. Por lo tanto, se redujo la cantidad de material no fibroso. Las presentes fibras incluso constituyen del 72 al 80% del rendimiento de produccion total, mientras que las fibras ceramicas existentes constituyen del 52 al 80%, por 10 lo que la presente invencion puede lograr un nivel igual o superior al de las fibras existentes.

En el ejemplo comparativo 2, la composicion se preparo anadiendo cantidades de SiO2, CaO y MgO en el intervalo de la composicion segun la presente invencion sin incluir un fundente como B2O3 y Na2O. El material no fibroso se incremento hasta un nivel del 36%, mientras que el rendimiento de produccion fue del 63%. La composicion sin 15 fundente afecta negativamente a la formacion de fibras, debido a un incremento en la viscosidad a alta temperatura, lo que da lugar a un incremento en los materiales no fibrosos y una disminucion en el rendimiento de produccion.

Ejemplo experimental 2: Coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento y biodegradabilidad

20 Se midieron los coeficientes de contraccion lineal durante el calentamiento junto con las constantes de velocidad de disolucion (Kdis) de cada composicion de fibra en un fluido corporal artificial, similar al de los ejemplos y ejemplos comparativos de la tabla 2, y se muestran en la siguiente tabla 3.

Tabla 3 25


: Ejemplo Ejemplo comparativo

1: 2 3 4 5 1 2 3 4 5

CaO: 26,5 31,2 30,7 29,3 33,5 31,3 20,1 14,9

MgO: 6,5 5,6 5 2,9 6 5,2 12,5 4,9

Al2O3: 0,1 0,6 0,6 0,5 0,2 49,9 0,5 19,8 0,2

B2O3: 0,5 0,2 1,1 0,6 0,2 0,3

Na2O: 0,1 0,2

ZrO2: 14,9 1,8

Impureza: 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,6 0,2 0,2 0,4 0,4

Suma: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Coeficiente de contraccion lineal a 1.000 °C (%): 24 horas 1,2 1,4 1,3 1,2 1,5 1,2 1,2 3,2 1,1 1,3

168 horas: 1,5 1,7 1,6 1,4 1,8 1,4 1,5 3,5 1,7 2,1

Constante de velocidad de disolucion (Kdis) ng/cm2hr: 720 850 920 840 880 10 650 600 15 355

Cuando las fibras ceramicas preparadas a partir de las composiciones de los ejemplos 1 a 5 de la tabla 3 se trataron termicamente a 1.100 °C durante 24 horas, se alcanzo un nivel de base de estabilidad termica a alta temperatura inferior al 3%, junto con un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento del 1,2 al 1,5%. Cuando tambien se trataron termicamente las fibras ceramicas durante largos periodos de tiempo a la misma temperatura durante 168 horas, el coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento aumento ligeramente, pero presentaron unos coeficientes de contraccion lineal relativamente bajos (del 1,4 al 1,8%) durante el calentamiento. Cuando las fibras ceramicas existentes, como las de los ejemplos comparativos 1, 4 y 5, tambien se trataron termicamente a 1.100 °C durante 24 horas, teman el mismo nivel que los artfculos desarrollados, junto con un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento del 1,2 al 2,1%.

Ademas, la resistencia termica se redujo por la adicion de un fundente, B2O3 o Na2O, aunque los artfculos sin

30

fundente, como los del ejemplo comparativo 2, tambien presentaron un coeficiente de contraccion del 1,2 al 1,5%. La presente invencion podna minimizar la reduccion en la resistencia termica mediante la regulacion de la proporcion apropiada del fundente.

5 Para los ejemplos comparativos 1 y 4, que poseen constantes de velocidad de disolucion inferiores a 20 ng/cm2hr similares a las de la composicion de fibra a base de RCF existentes, la inhalacion de las fibras y su entrada en el organismo humano da lugar a una biodegradabilidad muy baja. Por el contrario, la presente composicion de fibra presenta un aumento en la solubilidad en un fluido corporal, asf como una constante de velocidad de disolucion de 720 a 920 ng/cm2hr. La constante de velocidad de disolucion para la composicion del ejemplo comparativo 5 es 10 similar a la de las fibras biodegradables existentes (355 ng/cm2hr), pero es solo de A a 'A de la de las composiciones segun la presente invencion.

Ademas, el ejemplo comparativo 2 no incluye fundente (B2O3 y Na2O) en la composicion segun la presente invencion. La constante de velocidad de disolucion es 650 ng/cm2hr, mientras que la de las fibras preparadas a partir 15 de las composiciones existentes es de 720 a 920 ng/cm2hr, por lo que la constante de velocidad de disolucion se reduce con respecto a las composiciones existentes. Por lo tanto, un fundente como B2O3 o Na2O resulta efectivo para mejorar la biodegradabilidad de las fibras ceramicas.

Como se indica anteriormente, las fibras ceramicas preparadas a partir de las composiciones de los ejemplos segun 20 la presente invencion poseen una excelente biodegradabilidad en un fluido corporal artificial, unas excelentes caractensticas para la formacion de fibras, y presentan un aumento en la productividad debido al alto rendimiento. Ademas, cuando las fibras ceramicas se tratan termicamente a 1.100 °C durante 24 horas, su coeficiente de contraccion lineal es bajo, lo cual resulta favorable para los aislantes para altas temperaturas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Composicion de fibra ceramica biodegradable como aislante de altas temperaturas que comprende del 58 al 67% en peso de SiO2, del 26 al 34% en peso de CaO, del 2 al 8% de MgO, del 0,1 al 0,7% en peso de AhO3,

5 del 0,2 al 1,1% en peso de B2O3, del 0,3 al 1,1% en peso de B2O3+Na2O+K2O y el 1% en peso o menos de una impureza seleccionada entre TiO2 o Fe2O3.
2. Composicion de fibra ceramica biodegradable segun la reivindicacion 1, en la que la composicion de fibra cumple la siguiente formula general 1:

10

Formula general 1

1 < (% en peso de MgO) / (% en peso de B2O3 y Na2O, en total) < 23.

15 3. Fibras ceramicas biodegradables como aislantes de altas temperaturas preparadas a partir de la

composicion de fibra segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en las que las fibras presentan un coeficiente de contraccion lineal durante el calentamiento mantenido a 1.100 °C durante 24 horas del 3% o menos, asf como una constante de velocidad de disolucion en un fluido corporal artificial de 700 ng/cm2hr.

20 4. Aislante que comprende las fibras ceramicas segun la reivindicacion 3.