ES2837456T3 - Composición de fibras de vidrio de alto rendimiento y fibras formadas con la misma - Google Patents

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Abstract

Composición para fibras de vidrio de alta resistencia, susceptible de ser formada a partir de un procedimiento de fusión directa, estando dicha composición constituida por: 64-70 por ciento en peso de SiO2; 17-22 por ciento en peso de Al2O3; 9-11 por ciento en peso de MgO; y 1,75-3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O y Na2O; y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SiO2, Al2O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos; teniendo la composición un liquidus de menos de 1399 °C (2550 °F).

Description

DESCRIPCIÓN
Composición de fibras de vidrio de alto rendimiento y fibras formadas con la misma
Campo técnico y aplicabilidad industrial de la invención
La presente invención se refiere en general a una composición para su uso en la elaboración de fibras de vidrio continuas de alta resistencia y a fibras formadas a partir de la composición.
Antecedentes de la invención
La composición de vidrio comúnmente utilizada para la preparación de hebras continuas de fibra de vidrio de alta resistencia es "S-Glass". El término S-Glass define una familia de vidrios compuesta principalmente por óxidos de magnesio, aluminio y silicio con una composición química que produce fibras de vidrio con una mayor resistencia mecánica que las fibras de E-Glass. La composición química de la familia S-glass produce fibras de vidrio de alta resistencia y permite que estos vidrios se utilicen en aplicaciones de alta resistencia como blindaje balístico. ASTM International define S-Glass como una familia de vidrios compuesta principalmente por óxidos de magnesio, aluminio y silicio con una composición química certificada que cumple con una especificación de material aplicable y que produce una alta resistencia mecánica (D578-05). El instituto alemán de normalización Deutsches Institut fur Normung (DIN) define S-Glass como un vidrio de aluminosilicato sin adición de CaO y con una masa parcial de MgO donde MgO es aproximadamente el 10 % en peso (un vidrio de aluminosilicato se define como un vidrio que consiste principalmente en aluminio trióxido y dióxido de silicio y otros óxidos) (DIN 1259-1).
R-Glass es otra familia de vidrios de alto módulo y alta resistencia que se forma normalmente en fibras para su uso en aplicaciones de compuestos aeroespaciales. La familia R-Glass se compone principalmente de óxido de silicio, óxido de aluminio, óxido de magnesio y óxido de calcio con una composición química que produce fibras de vidrio con una resistencia mecánica más alta que las fibras de S-Glass. El vidrio clase R generalmente contiene menos sílice y más óxido de calcio (CaO) que el vidrio clase S, que requiere temperaturas de procesamiento y fusión más altas durante la formación de la fibra.
El documento GB-A-1 147718 divulga una fibra de vidrio compuesta por 54 a 72 por ciento en peso de sílice, 11 a 32 por ciento en peso de óxido de aluminio, 7,4 a 22,8 por ciento en peso de óxido de magnesio y óxido de arsénico, en una cantidad igual al menos a 0,1 por ciento en peso basándose en la fibra total y opcionalmente otros constituyentes compatibles.
En las tablas IA-IE se exponen las composiciones para una serie de composiciones de vidrio de alta resistencia convencionales.
TABLA I-A
Figure imgf000002_0001
TABLA I-B
Figure imgf000003_0001
TABLA I-C
Figure imgf000003_0002
TABLA I-D
Figure imgf000003_0003
continuación
Figure imgf000004_0001
TABLA I-E
Figure imgf000004_0002
Por lo general, el vidrio clase R y el vidrio clase S típicos se producen fundiendo los constituyentes de las composiciones en un recipiente de fusión revestido de platino. Los costes de formar fibras de vidrio clase R y vidrio clase S son significativamente más elevados que los de las fibras de vidrio clase E debido al coste de producción de las fibras en tales fundidores. Por tanto, existe una necesidad en la técnica de procedimientos de formación de composiciones de vidrio útiles en la formación de fibras de vidrio de alto rendimiento a partir de un procedimiento de fusión directa.
Sumario de la invención
La presente invención es una composición de vidrio para la formación de fibras de vidrio continuas adecuadas para su uso en aplicaciones de alta resistencia. Debido a la temperatura de fibrización relativamente baja de la composición, la composición puede formarse de forma económica en fibras de vidrio usando fusión directa de bajo coste en hornos con revestimiento refractario. Una vez formada en fibras, la composición de vidrio proporciona las características de resistencia del S-Glass. La composición de vidrio está constituida por 64-70 % en peso de SiO2, 17-22 % en peso de A^O3, 9-11 % en peso de MgO, 1,75-3,0 % en peso de R2O, donde R2O es la suma de Li2O y Na2O y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SO2, A^O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos. En otra realización preferida, la composición de vidrio se compone de 64-70 % en peso de SiO2, 17-22 % en peso de A^O3, 9-11 % en peso de MgO y 1,75-3,0 % en peso de Li2O.
Las propiedades deseadas de las fibras compuestas de alto rendimiento fabricadas por la presente invención incluyen una temperatura de fibrización de menos de aproximadamente 2650 °F (1454 °C), preferiblemente menos de aproximadamente 2625 °F (1441 °C), más preferiblemente de menos de aproximadamente 2600 °F (1427 °C) y más preferiblemente de menos de aproximadamente 2575 °F (1413 °C) y una temperatura de liquidus de menos de 1399 °C (2550 °F). La temperatura de liquidus está preferiblemente por debajo de la temperatura de fibrización en al menos aproximadamente 120 °F (66,67 °C), más preferiblemente en al menos aproximadamente 150 °F (83,33 °C). La presente invención también incluye fibras formadas a partir de dicha composición.
Descripción detallada y realizaciones preferidas de la invención
Las propiedades de fibrización de la composición de lotes de vidrio de la presente invención incluyen la temperatura de fibrización, el liquidus y delta-T (AT). La temperatura de fibrización se define como la temperatura que corresponde a una viscosidad de 1000 Poise. Tal como se expone con más detalle a continuación, una temperatura de fibrización más baja reduce el coste de producción de las fibras, permite una vida útil más larga del buje, aumenta el rendimiento, permite que el vidrio se derrita en un fundidor con revestimiento refractario y reduce el consumo de energía. Por ejemplo, a una temperatura de fibrización más baja, el buje funcionará a una temperatura más fría y no se "pandeará" tan rápidamente. El pandeo es un fenómeno que ocurre en bujes que se mantienen a una temperatura elevada durante periodos de tiempo prolongados. Al bajar la temperatura de fibrización, se puede reducir la tasa de pandeo del buje y es posible aumentar la vida útil del buje. Además, una temperatura de fibrización más baja permite un mayor rendimiento, ya que se puede fundir más vidrio en un periodo determinado con una entrada de energía determinada. Como resultado, se reduce el coste de producción. Además, una temperatura de fibrización más baja también permitirá que el vidrio formado con la composición de la invención se derrita en un fundidor con revestimiento refractario, ya que tanto sus temperaturas de fusión como las de fibrización están por debajo de las temperaturas de uso superiores de muchos refractarios disponibles comercialmente.
El liquidus de un vidrio se define como la temperatura más alta a la que existe el equilibrio entre el vidrio líquido y su fase cristalina primaria. A todas las temperaturas por encima del liquidus, el vidrio está libre de cristales en su fase primaria. A temperaturas por debajo del liquidus, se pueden formar cristales. Los cristales en la masa fundida causarán bloqueos en el buje y debilidad en las fibras.
Otra propiedad de la fibrización es delta-T (AT), que se define como la diferencia entre la temperatura de fibrización y el liquidus. Un mayor AT ofrece un mayor grado de flexibilidad durante la formación de las fibras de vidrio y ayuda a inhibir la desvitrificación del vidrio (es decir, la formación de cristales dentro de la masa fundida) durante la fusión y la fibrización. El aumento de AT también reduce el coste de producción de las fibras de vidrio al permitir una mayor vida útil del buje y al proporcionar una ventana de procedimiento más amplia para formar fibras.
Los vidrios de la presente invención son adecuados para fundirse en fundidores de vidrio con revestimiento refractario tradicionales disponibles comercialmente que se utilizan ampliamente en la fabricación de fibras de refuerzo de vidrio. Los componentes del lote inicial incluyen normalmente SiO2 (arena de sílice molida) y A^O3 (alúmina calcinada) o pirofilita, así como modificadores de cadena de materiales de origen tal como talco, magnesita o dolomita. El carbono incluido en materiales como la magnesita se libera en forma de óxidos de carbono como el CO2.
La fibra formada de acuerdo con la presente invención se obtiene mediante un procedimiento que comprende una etapa de fundir una composición de vidrio constituida por 64-70 % en peso de SO2, 17-22 % en peso de A^O3, 9-11 % en peso de MgO, 1,75 a 3,0 % en peso de R2O donde R2O es la suma de Li2O y Na2O y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SiO2, Al2O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos. Preferiblemente, al menos el 75 % del R2O es Li2O. La fibra de la presente invención preferiblemente tendrá una resistencia de fibra prístina superior a 4744 MPa (688 KPSI), más preferiblemente una resistencia superior a aproximadamente 4827 MPa (700 KPSI) y más preferiblemente una resistencia superior a aproximadamente 5033 MPa (730 KPSI). Además, las fibras de vidrio tendrán deseablemente un módulo superior a 82,74 GPa (12,0 MPSI), preferiblemente superior a aproximadamente 87,57 GPa (12,7 MPSI).
El lote de vidrio de la presente invención se funde preferiblemente usando el horno de fusión de vidrio hecho de materiales refractarios apropiados tales como alúmina, óxido crómico, sílice, alúmina-sílice, circón, circonia-alúminasílice o materiales refractarios a base de óxido similares. A menudo, dichos hornos de fusión de vidrio incluyen uno más burbujeadores y/o electrodos de refuerzo eléctricos (un horno de fusión de vidrio adecuado se divulga en la solicitud de patente de Estados Unidos número 20070105701 titulada "Method of Manufacturing High Performance Glass Fibers in a Refractory Lined Melter and Fiber Formed Thereby. Los burbujeadores y/o los electrodos de refuerzo eléctricos aumentan la temperatura del vidrio a granel y aumentan la circulación del vidrio fundido debajo de la cubierta del lote.
El vidrio fundido se alimenta a un conjunto de bujes desde el canal de distribución. El buje incluye una placa de punta con una pluralidad de boquillas, cada boquilla descarga una corriente de vidrio fundido, que se estira mecánicamente para formar filamentos continuos. Normalmente, los filamentos se recubren con un apresto protector, se juntan en una sola hebra continua y se enrollan en una boquilla de sujeción giratoria de un dispositivo enrollador para formar un paquete. Los filamentos también pueden ser procesados en otras formas que incluyen, sin limitación, fibras de hebras cortadas para uso en húmedo, fibras de hebras cortadas para uso en seco, esteras de filamentos continuos, esteras de hebras cortadas, esteras formadas en húmedo o esteras formadas por chorro de aire.
Una vez descrita de forma general la presente invención, se puede obtener una comprensión adicional haciendo referencia a ciertos ejemplos específicos ilustrados a continuación que se proporcionan solo con fines ilustrativos y no pretenden ser exhaustivos o limitativos a menos que se especifique lo contrario.
EJEMPLOS
Los vidrios de los ejemplos enumerados en las Tablas IIA - IID se fundieron en crisoles de platino o en un fundidor continuo con revestimiento de platino para determinar las propiedades mecánicas y físicas del vidrio y las fibras producidas a partir de ellos. Las unidades de medida para las propiedades físicas son: viscosidad (°F), temperatura de liquidus (°F) y AT (°F). En algunos ejemplos, los vidrios se fibrizaron y se midieron la resistencia (KPsi), la densidad (g/cc) y el módulo (MPsi).
La temperatura de fibrización se midió usando un viscosímetro de husillo giratorio. La viscosidad de fibrización se define como 1000 Poise. El liquidus se midió colocando un recipiente de platino lleno de vidrio en un horno de gradiente térmico durante 16 horas. La mayor temperatura a la que estaban presentes los cristales se consideró la temperatura de liquidus. El módulo se midió mediante la técnica sónica en una sola fibra de vidrio. La resistencia a la tracción se midió en una única fibra prístina.
Tabla IIA
Figure imgf000006_0001
Tabla II-B
Figure imgf000006_0002
continuación
Figure imgf000007_0001
Tabla II-C
Figure imgf000007_0002
La composición de la presente invención también puede incluir modificadores de cadena tales como Na2O, CaO y B2O3. Tales composiciones (que están fuera del alcance de las reivindicaciones) se muestran en la Tabla II-D (a continuación).
Tabla II-D
Figure imgf000007_0003
continuación
Figure imgf000008_0001
Las fibras de la presente invención tienen características de módulo y resistencia superiores. Las fibras del Ejemplo 1 tienen un módulo medido de 87,64 GPa (12,71 MPsi) y una resistencia medida de 4744 MPa (688 KPsi). Las fibras del Ejemplo 3 tienen un módulo medido de 89,37 GPa (12,961 MPsi) y una resistencia medida de 5082 MPa (737 KPsi). Las fibras del Ejemplo 17 tienen un módulo medido de 87,91 GPa (12,75 MPsi) y una resistencia medida de 5061 MPa (734 KPsi).
Como se entiende en la técnica, las anteriores composiciones de la invención a modo de ejemplo no siempre totalizan el 100 % de los componentes enumerados debido a convenciones estadísticas (tales como el redondeo y el promediado) y al hecho de que algunas composiciones pueden incluir impurezas que no se enumeran. Por supuesto, las cantidades reales de todos los componentes, incluidas las impurezas, en una composición siempre ascienden al 100 %. Además, debe entenderse que cuando se especifican pequeñas cantidades de componentes en las composiciones, por ejemplo, cantidades del orden de aproximadamente 0,05 por ciento en peso o menos, esos componentes pueden estar presentes en forma de trazas de impurezas presentes en las materias primas, en lugar de añadirse intencionadamente.
De manera adicional, pueden añadirse componentes a la composición del lote, por ejemplo, para facilitar el procesamiento, que luego se eliminan, formando así una composición de vidrio que está esencialmente libre de dichos componentes. Así, por ejemplo, cantidades diminutas de componentes tales como flúor y sulfato pueden estar presentes como trazas de impurezas en las materias primas que proporcionan los componentes de sílice, alúmina y magnesia en la práctica comercial de la invención o pueden ser coadyuvantes de procesamiento que son esencialmente eliminados durante la fabricación.
Como es evidente a partir de los ejemplos anteriores, las composiciones de fibra de vidrio de la invención tienen propiedades ventajosas, tales como temperaturas de fibrización bajas y grandes diferencias entre las temperaturas de liquidus y las temperaturas de fibrización (valores de AT elevados). Otras ventajas y modificaciones obvias de la invención resultarán evidentes para los expertos a partir de la descripción anterior y más adelante a través de la práctica de la invención. El vidrio de alto rendimiento de la presente invención se funde y refina a temperaturas relativamente bajas, tiene una viscosidad viable en un amplio intervalo de temperaturas relativamente bajas y un intervalo de temperatura de liquidus bajo.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Composición para fibras de vidrio de alta resistencia, susceptible de ser formada a partir de un procedimiento de fusión directa, estando dicha composición constituida por:
64-70 por ciento en peso de SO2;
17-22 por ciento en peso de A^Oa;
9-11 por ciento en peso de MgO; y
1.75- 3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O y Na2O; y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SO2, A^O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos;
teniendo la composición un liquidus de menos de 1399 °C (2550 °F).
2. Composición para fibras de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el vidrio producido a partir de dicha composición tiene una diferencia entre la temperatura de fibrización y el liquidus (AT) de al menos 66,67 °C (120 °F).
3. Composición para fibras de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el vidrio producido a partir de dicha composición tiene una temperatura de fibrización de menos de 1427 °C (2600 °F) y un AT de al menos 77,78 °C (140 °F).
4. Composición para fibras de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la composición está constituida por:
68-69 por ciento en peso de SO2;
20-22 por ciento en peso de A^O3;
9-10 por ciento en peso de MgO; y
1-3 por ciento en peso de Li2O.
5. Fibra de vidrio de alta resistencia formada por un procedimiento que comprende una etapa de fundir una composición en un fundidor de vidrio con revestimiento refractario, estando la composición constituida por:
64-70 por ciento en peso de SO2;
17-22 por ciento en peso de AEO3;
9-11 por ciento en peso de MgO; y
1.75- 3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O y Na2O; y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SiO2, AhO3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos.
6. Fibra de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la fibra tiene un módulo superior a 82,74 GPa (12,0 MPSI).
7. Fibra de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 6, en la que la fibra tiene un módulo superior a 87,57 GPa (12,7 MPSI).
8. Fibra de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la fibra tiene una resistencia superior a 4744 MPa (688 KPSI).
9. Fibra de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 8, en la que la fibra tiene una resistencia superior a 4827 MPa (700 KPSI).
10. Fibra de vidrio de alta resistencia de acuerdo con la reivindicación 5, en la que al menos el 75 % de R2O es Li2O.
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