ES2942635T3 - Cerámica de vidrio de beta-espodumeno no opaca libre de arsénico que presenta coloración marrón-gris - Google Patents

Cerámica de vidrio de beta-espodumeno no opaca libre de arsénico que presenta coloración marrón-gris Download PDF

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Abstract

Los métodos, composiciones y artículos proporcionan vitrocerámicas de tipo LAS que tienen características termomecánicas, ópticas y de coloración específicas para producir productos generalmente de color marrón grisáceo. Los materiales vitrocerámicos pueden incluir como colorantes óxido de hierro, óxido de vanadio, óxido de cromo, óxido de cobalto, óxido de níquel y/u óxido de cerio. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Cerámica de vidrio de beta-espodumeno no opaca libre de arsénico que presenta coloración marrón-gris Antecedentes
La presente invención se refiere a cerámicas de vidrio del tipo aluminosilicato de litio (LAS), de color marrón-gris y que contienen una solución sólida de beta-espodumeno como fase cristalina predominante. La invención también se refiere a métodos para obtener dichas cerámicas de vidrio y artículos relacionados.
Se conocen varias cerámicas de vidrio, por ejemplo, de los documentos GB 1246 694 A1, US 4,526,872, US 2007/0213192 A1, EP 1837313 A1 y US 2012/0035041 A1.
Resumen
Una de las propiedades convenientes de los materiales cerámicos de vidrio es su capacidad termomecánica para soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos hasta temperaturas muy altas, que pueden tan altas como 600­ 800 °C. Aunque originalmente se desarrollaron para otros fines, las cerámicas de vidrio tipo LAS se han convertido en el material de elección para ciertos productos en el mercado doméstico, tal como las encimeras de cocina de cerámicas de vidrio. Las propiedades termomecánicas de las cerámicas de vidrio tipo LAS encajan muy bien con el uso de este material en aplicaciones de encimeras de cocina.
Muchas de estas encimeras de cocina emplean elementos radiantes u otros elementos de calentamiento debajo de la superficie superior de la cerámica de vidrio. En consecuencia, para ser efectivo, el material de cerámica de vidrio debe presentar las propiedades adicionales de: buena eficiencia de transmisión en los espectros visible e infrarrojo, muy bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), y opcionalmente propiedades particulares de coloración en reflexión (definidas por los parámetros L*, a* y b*).
Por tanto, las propiedades de un material de cerámica de vidrio viable para su uso en el mercado doméstico, tal como por ejemplo para encimeras de cocina, implican consideraciones estéticas. Aunque algunos consideran que la estética no es importante, tales consideraciones son tan importantes como las características de rendimiento en lo que respecta a la comerciabilidad. Por ejemplo, en el mercado doméstico, el color de un material de cerámica de vidrio puede ser el factor decisivo para determinar si un producto es comercialmente sostenible.
En cuanto a consideraciones estéticas, específicamente de color, el estado del arte de las encimeras de cocina ofrece tres opciones: cerámica de vidrio negra transparente (con luminosidad, L*, inferior a 25), cerámica de vidrio blanca (con luminosidad L* superior a 60), y cerámica de vidrio transparente no coloreada con una capa decorativa opaca en la parte posterior de la misma para proporcionar un color conveniente y/o para oscurecer los componentes internos, tal como los componentes eléctricos, debajo de la encimera de cocina. Notablemente, sin embargo, hasta el momento no ha habido productos comerciales que presenten una coloración marrón-gris con un intervalo de luminosidad L* entre 25 a 45, buena eficiencia de transmisión en los espectros visible e infrarrojo, y un muy bajo coeficiente de dilatación térmica (CTE ).
Cabe señalar que, aunque las encimeras de cocina son un uso para una o más modalidades de cerámica de vidrio descritas en la presente descripción, las aplicaciones contempladas pueden extenderse a otras áreas, incluidos utensilios de cocina, ollas, sartenes, etc., así como también a empaques para productos electrónicos de consumo, por ejemplo.
En consecuencia, existen necesidades en la técnica de nuevos métodos y aparatos para proporcionar cerámica de vidrio de características estéticas y de rendimiento convenientes.
Breve descripción de las figuras
Con fines ilustrativos, en los dibujos se muestran formas que son actualmente preferidas, entendiéndose, sin embargo, que las modalidades divulgadas y descritas en la presente descripción no se limitan a las disposiciones e instrumentos precisos que se muestran.
La Figura 1 es una tabla de composiciones adecuadas para su uso como precursor de vidrio y/o material de cerámica de vidrio. Los ejemplos 9 y 10 de la tabla de la Figura 1 no entran dentro del alcance de la reivindicación 1 y se proporcionan solo con fines de referencia;
La Figura 2 es una tabla de características de materiales de cerámica de vidrio producidos mediante el uso de un proceso de ceramización de las composiciones de vidrio precursoras de la Figura 1;
La Figura 3 es un gráfico que ilustra la relación entre la luminosidad L* de los materiales de cerámica de vidrio producidos y la temperatura máxima específica de ceramización empleada en la formación de estos;
La Figura 4 es un gráfico que ilustra la relación entre el tono azul-amarillo y el tono verde-rojo en materiales de cerámica de vidrio en función de las cantidades de óxido de hierro (Fe2O3) y de óxido de cromo (Cr2O3);
La Figura 5 es una tabla de composiciones usadas con fines de comparación con una o más modalidades en la presente descripción; y
La Figura 6 es una tabla de características de materiales de cerámica de vidrio producidos mediante el uso de las composiciones de la Figura 5 después de un proceso de ceramización de los vidrios precursores.
Descripción detallada
Consideraciones generales
Si bien la producción de cerámica de vidrio se ha llevado a cabo durante muchos años, los parámetros de ingeniería para producir una cerámica de vidrio gris pardusca de luminosidad específica, L*, transmisión y coeficiente de expansión térmica (CTE) han sido esquivos hasta ahora en la técnica. Con respecto a esto, en la presente descripción se proporciona una discusión de los procesos, composiciones y/u otros parámetros necesarios para producir las cerámicas de vidrio antes mencionadas.
Una cerámica de vidrio es un material policristalino producido a través de un proceso de ceramización (es decir, una cristalización controlada en lugar de espontánea) de un vidrio precursor. El proceso general para producir un material de cerámica de vidrio consta de tres etapas básicas: (i) formar un vidrio precursor a través de procesos de fusión (y refinado) apropiados; (ii) enfriar y moldear el vidrio precursor en la forma deseada; y (iii) realizar la ceramización (tratamiento térmico), en donde el vidrio precursor cristaliza parcialmente y forma una cerámica de vidrio.
Sistema de Cerámica de Vidrio
Existe una amplia variedad de sistemas de cerámica de vidrio, por ejemplo, el sistema Li2O * Al2O3 * nSiO2 (sistema LAS), el sistema MgO * Al2O3 * nSiO2 (sistema MAS) y el sistema ZnO * Al2O3 * nSiO2 (sistema ZAS), para nombrar unos pocos.
El sistema deseado en relación con las modalidades descritas en la presente descripción es el sistema Li2O * Al2O3 * nSiO2 (sistema LAS). El sistema LAS se refiere principalmente a una mezcla de óxido de litio, óxido de aluminio y óxido de silicio con componentes adicionales, por ejemplo, agentes formadores de fase vitrea tal como ZrO2, TiO2, MgO, ZnO, BaO, SrO, CaO, K2O, Na2O, P2O5, B2O3, V2O5, Fe2O3, Cr2O3, CoO, NiO, CeO2, y/o SnO2.
En la mayoría de los casos, se añaden agentes de nucleación y agentes de refinación a la composición de vidrio precursor. Los agentes de nucleación ayudan y controlan el proceso de cristalización y los agentes de refinación se emplean para eliminar las burbujas de gas del vidrio fundido. A manera de ejemplo, una o más modalidades en la presente descripción pueden emplear ZrO2 y/o TiO2 como agentes de nucleación en el proceso del vidrio precursor. Muchas composiciones de vidrio precursor convencionales pueden emplear óxido de arsénico (As2O3) y/o óxido de antimonio (Sb2O3) como agentes de refinación durante la etapa de fundir una carga vitrificable de materias primas en un vidrio precursor. En relación con la protección del medio ambiente, se desea evitar el uso de As2O3 y Sb2O3, que son compuestos altamente tóxicos. Se han realizado algunos trabajos previos en relación con la producción de cerámica de vidrio sin arsénico y/o antimonio en la composición, a temperaturas de procesamiento, tiempos, atmósferas, etc., adecuados para lograr la transmisión, luminosidad, CET, etc. convenientes. Sin embargo, un experto en la técnica aprenderá en la presente descripción que no se pueden sustituir indiscriminadamente los agentes de refinación y esperar que la coloración de la cerámica de vidrio resultante no se vea afectada. De hecho, se debe tener mucho cuidado en cuanto a los parámetros y composiciones del proceso para llegar a la coloración marrón-gris deseada.
A manera de ejemplo, una o más modalidades en la presente descripción pueden emplear óxido de estaño (SnO2) como un agente de refinación en el proceso del vidrio precursor. El óxido de estaño es un agente reductor más potente que alternativas tal como el trióxido de arsénico y el trióxido de antimonio, por lo tanto, su influencia en las propiedades de coloración y transmisión óptica de la cerámica de vidrio es diferente a la del resto de compuestos. De hecho, aunque el SnO2 puede tener una función inicial como un agente clarificante, la presencia del compuesto puede afectar indirectamente la coloración y la transmisión de luz de la cerámica de vidrio al reducir colorantes como el óxido de vanadio (V2O5) y óxido de hierro (Fe2O3) presente durante la ceramización. Los efectos de V2O5 y Fe2O3 sobre la coloración se discutirá con más detalle más adelante en la presente descripción.
Después de la cristalización, la fase cristalina dominante en la cerámica de vidrio tipo LAS es una solución sólida con alto contenido de cuarzo, y cuando la cerámica de vidrio se somete a un tratamiento térmico más intenso, la solución sólida con alto contenido de cuarzo se transforma en una solución sólida de keatita (que a veces se llama beta-espodumeno). Esta transición es irreversible y reconstructiva, lo que significa que los enlaces en la red cristalina se rompen y se disponen nuevos enlaces.
En una cerámica de vidrio tipo LAS es posible ajustar el CTE en un amplio intervalo al ajustar la composición del vidrio inicial, la naturaleza y cantidad de las fases cristalinas y la cantidad y composición del vidrio residual. Para los fines de una o más modalidades en la presente descripción, se desea un cTe bajo o incluso cero, que puede obtenerse al controlar el proceso de tratamiento térmico de ceramización para equilibrar las contribuciones de CTE negativas y positivas de la fase cristalina dominante de la cerámica de vidrio LAS y la(s) fase(s) de vidrio residual. Una vez más, sin embargo, no se pueden ajustar indiscriminadamente las temperaturas de cerámica para tener en cuenta el CET deseado sin considerar el efecto que esto puede tener sobre la coloración de la cerámica de vidrio resultante. De hecho, se ha descubierto que las temperaturas de la cerámica tienen un efecto significativo sobre la luminosidad, L*, y el color de la cerámica de vidrio resultante.
En vista de lo anterior, se han descubierto varias modalidades que proporcionan cerámicas de vidrio, libres de arsénico y/o de antimonio, que tienen transmisión visible integrada muy conveniente, transmisión óptica, transmisión infrarroja, coeficiente de expansión térmica, luminosidad y coloración.
Experimentos
En relación con el desarrollo de las modalidades en la presente descripción, se realizaron varios experimentos en numerosas muestras de material. En particular, varias muestras de vidrio de composición variable se sometieron a ceramización a diferentes temperaturas para evaluar las características antes mencionadas.
Composiciones de Vidrio
Las composiciones de vidrio específicas utilizadas para producir los vidrios precursores y/o los materiales de cerámica de vidrio de los ejemplos en la presente descripción se enumeran en la tabla que se muestra en la Figura 1. Todas las composiciones pertenecen al sistema LAS, de manera que los ejemplos 1 a 8 se encuentran dentro de los siguientes intervalos de composición preferidos (en % en peso): 60-72 % SiO2, 18-23 % A^O3, 2,5-4,5 % Li2O, 0­ 2,5 % ZrO2, 1,5-4 % TO2, 0-3 % MgO, 0-3 % ZnO, 0-5 % BaO, 0-5 % SrO (con 0 < BaO+SrO < 5), 0-2 % CaO, 0­ 1,5 % K2O, 0-1,5 % Na2O (opcionalmente con 0 < CaO+K2O+Na2O < 1,5 o 1,25 o 1,0), 0-5 % P2O5, 0-2 % B2O3, 0,005-0,2 % V2O5, 0,12-0,4 % Fe2O3, 0,01-0,04 % Cr2O3, 0-0,05 % CoO, 0-0,3 % NiO, 0-0,2 % CeO2, y/o 0-0,6 % SnO2. Los ejemplos 9 y 10 no caen dentro del alcance de la reivindicación 1 y se proporcionan únicamente con fines de referencia.
El ZrO2 y TiO2 componentes se usan para la nucleación, y el SnO2 se usa como un componente de refinación.
El V2O5, Fe2O3, Cr2O3, CoO, NiO y/o CeO2 se usan para colorear. El Fe2O3 y Cr2O3 fueron elegidos específicamente para desarrollar una coloración marrón-gris después de la ceramización.
En particular, las composiciones de la Figura 1 contiene SnO2 como un agente de refinación. La cantidad de SnO2 presente puede ser significativo para lograr la funcionalidad de refinación deseada; sin embargo, se debe minimizar o incluso evitar cualquier desvitrificación y se debe controlar la influencia del SnO2 en la transmisión óptica integrada. De hecho, SnO2 es capaz de reducir el óxido de vanadio y el óxido de hierro presentes durante la ceramización, aunque debido al alto costo de la materia prima para SnO2, su uso se minimiza ventajosamente. Las cerámicas de vidrio de la invención comprenden un SnO2 puede usarse un contenido de hasta 0,6 %, por ejemplo, de 0,1 % a 0,4% en peso. Preferentemente, las modalidades en la presente descripción contienen uno de: (i) de 0,1 % a 0,3 % en peso de SnO2; (ii) de 0,2 % a 0,3 % en peso de SnO2; y (iii) 0,2 % a 0,4 % en peso.
En consecuencia, las cerámicas de vidrio descritas no contienen ni As2O3 ni Sb2O3 en cualquier cantidad significativa (es decir, pueden contener sólo trazas de uno y/u otro de estos compuestos tóxicos). Si están presentes trazas de uno u otro, es probable que se cuantifiquen como As2O3 Sb2O3 es inferior a 1000 ppm, preferentemente inferior a 500 ppm.
Condiciones de Procesamiento
Cada una de las muestras se sometió al siguiente proceso básico. Primero, las materias primas se fundieron al precalentar en un horno a 1550 °C, seguido de calentamiento durante 30 minutos a 1550 °C, calentamiento durante 60 minutos de 1550 °C a 1650 °C y calentamiento durante 360 minutos a 1650 °C. A continuación, el vidrio se laminó hasta un grosor de entre 4-6 mm, y luego se recoció a 650 °C durante 1 hora.
Finalmente, las muestras fueron ceramizadas en un horno estático de acuerdo con el siguiente ciclo: (i) calentamiento rápido desde temperatura ambiente hasta 655 °C durante 20 a 40 minutos; (ii) nucleación de 650 °C a 820 °C durante 15 a 30 minutos; (iii) calentamiento desde 820 °C hasta la temperatura máxima de ceramización durante 10 a 20 minutos (en particular, la temperatura máxima de cerámica puede variar de 950 °C a 1060 °C); (iv) cristalización a la temperatura máxima de ceramización durante 5 a 15 minutos; y (v) enfriamiento rápido de 20 a 40 minutos a temperatura ambiente.
Por medio de mayor especificidad, el ciclo térmico puede ser: (i) calentamiento rápido desde temperatura ambiente hasta 655 °C durante 25 minutos; (ii) calentamiento de 650 °C a 820 °C durante 24 minutos; (iii) calentamiento desde 820 °C hasta la temperatura máxima de ceramización durante 12 a 15 minutos; (iv) cristalización a la temperatura máxima de ceramización durante 8 minutos; (v) enfriamiento rápido hasta 900 °C durante 5 minutos; y (vi) enfriamiento rápido (de 20 a 40) minutos a temperatura ambiente.
Resultados experimentales
La Figura 2 es una tabla que muestra ciertas características de cada muestra de cerámica de vidrio, así como también la temperatura máxima de cerámica asociada. Notablemente, la temperatura máxima de ceramización varió entre 1025-1040 °C. Dado el sistema de composición del vidrio descrito anteriormente, y dado que el tratamiento de ceramización usó ciclos térmicos superiores a 950 °C, el material resultante de todas las muestras presentó una estructura cristalográfica que estuvo compuesta principalmente por cerámica de vidrio de beta-espodumeno.
Coeficiente de Expansión Térmica
Como se indicó anteriormente, una de las características deseadas de la cerámica de vidrio es un coeficiente de expansión térmica (CTE) inferior a 15x10-7/°C (medido entre 20 °C y 700 °C). Como se muestra en la Figura 2, el c Et alcanzado fue de hecho inferior a 15x10-7/ °C. Tal CET, sin embargo, es más alto que el del material de cerámica de vidrio de cuarzo beta (que generalmente se obtiene mediante el uso de temperaturas de ceramización más bajas). En general, el material de cerámica de vidrio de cuarzo beta presenta un CET cercano a cero. Se ha descubierto que para obtener un CET inferior a 15x10-7/ °C, o inferior a 11x10-7/ °C, en una cerámica de vidrio de beta-espodumeno, es preferente limitar el contenido de Na2O, K2O y/o CaO como se evidencia al comparar los Ejemplos 2 y 6.
Luminosidad L*
Adicionalmente y/o alternativamente, otra de las características deseadas de la cerámica de vidrio es una luminosidad L* entre 20-40. A manera de ejemplo, la luminosidad L* puede medirse en reflexión mediante el uso de un fondo blanco con iluminante D65 en condiciones de observador de 10°. Como se ilustra en la Figura 3, se ha descubierto que los materiales de cerámica de vidrio formados a partir de las composiciones de vidrio de la Figura 1 presentará una luminosidad L* que varía en función de la temperatura de ceramización. De hecho, como se muestra en la Figura 3, el Ejemplo 1 (etiquetado como "1") muestra que, si la temperatura de ceramización varía entre 950 °C y 1060 °C, los valores de luminosidad L* variarán de 20 a 45. La relación entre la luminosidad L* y la temperatura de ceramización también se presenta en los Ejemplos 2 y 3 de la Figura 3. El valor creciente de la luminosidad L* está provocado por un aumento resultante de la retrodispersión de la difusión de la luz por parte del material que surge del aumento de la temperatura de ceramización. Por tanto, mediante el uso de una temperatura de ceramización inferior a 950 °C se obtiene un material de cerámica de vidrio con una luminosidad L* inferior a 20 y mediante el uso de una temperatura de ceramización superior a 1060 °C se obtiene una cerámica de vidrio demasiado opaca, con una luminosidad superior a 45.
Características de Transmisión de Luz
Adicionalmente y/o alternativamente, otras características de la cerámica de vidrio están relacionadas con ciertas características de transmisión de luz, que pueden cuantificarse, por ejemplo, mediante el uso del conocido iluminante D65, prueba de 2° observador en, por ejemplo, muestras de 4-5,5 mm de grosor. Tales características de transmisión incluyen transmisión visible integrada (Tl), que puede medirse entre 380-780 nm; transmisión óptica medida a 625 nm; transmisión óptica medida a 950 nm; y/o transmisión óptica infrarroja, que puede medirse a 1600 nm.
A manera de ejemplo, la transmisión visible integrada (Tl) puede ser una de: (i) entre 0,3 % a 6 %; (ii) entre 0,4 % a 5 %; (iii) entre 0,5 % a 5 %; (iv) entre 0,6 % a 4 %; (v) entre 0,7 % a 3 %; y (vi) entre 0,8 % a 2 %. Notablemente, se prefiere el intervalo de 0,8 % a 2 % cuando, por ejemplo, se desea permitir que un observador vea con cierto nivel de claridad, por ejemplo, los elementos calefactores que brillan debajo de una estufa radiante sin distraerse o abrumarse con ellos. De hecho, en algunas modalidades puede ser conveniente permitir algún nivel de transmisión de luz para ver a través de la cerámica de vidrio, pero no demasiada transmisión de luz, por ejemplo, proporcionando una claridad de visión limitada en elementos detrás de la cerámica de vidrio.
Se ha descubierto que V2O5, Fe2O3, CoO, Cr2O3, NiO y CeO2 puede usarse para ajustar la característica de la transmisión visible integrada (Tl) del material de cerámica de vidrio. Es conveniente emplear al menos uno de estos óxidos para alcanzar el valor deseado de la transmisión visible integrada. Notablemente, el contenido de Fe2O3 y el contenido de V2O5 (aunque ambos se emplean principalmente para la coloración) tienen una relación entre sí en lo que respecta a la transmisión visible integrada (Tl). De hecho, se ha encontrado que la cantidad de Fe2O3 debe aumentarse en la composición como la V2O5 aumenta para obtener un material con una transmisión visible integrada superior a 0,5 %.
La transmisión óptica (medida a 625 nm) es superior a 2 %; y puede ser superior a 3,5 %. Por ejemplo, una transmisión óptica (a 625 nm) superior a 2 %, y preferentemente superior a 3,5 %, es conveniente para aplicaciones de encimeras de cocina radiantes. Adicionalmente, tal característica permitiría ver a través del material cerámico en aplicaciones donde había LED rojos detrás del material.
En algunas modalidades, tal como cuando se emplean ciertos tipos de controles electrónicos en un producto (por ejemplo, controles táctiles IR), puede ser conveniente controlar la transmisión óptica (medida a 950 nm). Por ejemplo, la transmisión óptica (medida a 950 nm) puede ser una de: (i) entre 35-75 %; (ii) entre 50-70 %; y (iii) entre 45-55 %. Además de proporcionar un buen rendimiento para aplicaciones de encimeras de cocina en general, el intervalo preferido de entre 50 % - 70 % permitiría el uso de controles táctiles infrarrojos (IR) en un producto, tal como en una aplicación de encimera de cocina.
Adicionalmente y/o alternativamente, la transmisión óptica infrarroja (por ejemplo, medida a 1600 nm) puede ser una de: (i) entre 45-80 %; (ii) entre 50-75 %; y (iii) entre 45-60 %. Un intervalo preferido de entre 50 % y 75 % proporciona un buen rendimiento de calentamiento en una aplicación de encimera de cocina. En una aplicación de encimera de cocina, se ha encontrado que una transmisión óptica infrarroja de menos de 50 % comienza a mostrar signos de capacidad reducida para calentar un artículo colocado sobre ella, y una transmisión óptica infrarroja de más de 75 % puede comenzar a mostrar signos de calentamiento excesivo de materiales ubicados en la proximidad de, pero fuera de, una zona de calentamiento deseada.
Características del Color
Como se discutió anteriormente, un aspecto importante de las modalidades en la presente descripción son sus características de color. En efecto, a efectos comerciales es conveniente conseguir una cerámica de vidrio que posea las propiedades funcionales antes mencionadas, así como también cierta coloración, concretamente en la familia de los grises, tal como el marrón-gris.
Con respecto a esto, ahora se hace referencia a la Figura 4, que es un gráfico en un sistema de coordenadas cartesianas que ilustra el efecto de ciertos agentes colorantes dentro de las composiciones de vidrio de las modalidades en la presente descripción. El eje y (ordenadas) representa el tono (b*), componente de color azulamarillo, mientras que el eje x (abscisa) representa el tono (a*), componente de color verde-rojo. Los valores de color en el gráfico se pueden cuantificar, por ejemplo, mediante el uso de la prueba de observador de 10° del conocido iluminante D65, que se usó para medir el color de las muestras de 4 mm de grosor y 5,2 mm de grosor en la presente descripción. Las coordenadas a* y b* típicamente se miden simultáneamente con el valor L*.
Los principales contribuyentes a las variaciones en el color de la cerámica de vidrio resultante son el óxido de vanadio (V2O5), óxido de cromo (Cr2O3) y óxido de hierro (Fe2O3). Esta combinación de colorantes permite cantidades relativamente altas de Cr2O3 y Fe2O3 sin incurrir en un costo significativo en la medida en que el hierro y el cromo están fácilmente disponibles a bajo costo.
El V2O5, en presencia de SnO2, oscurece significativamente el vidrio durante la ceramización, ya que el V2O5 es responsable de la absorción de la luz que tiene longitudes de onda principalmente por debajo de 700 nm. Aún, incluso en presencia de V2O5 y SnO2 es posible retener una transmisión óptica suficientemente alta a 650 nm, 950 nm y en las frecuencias de transmisión óptica infrarroja (por ejemplo, 1600 nm). La cantidad de V2O5 presente es 0,005 a 0,2 %; preferentemente 0,05 % a 0,1 %.
Se ha descubierto que el óxido de cromo (Cr2O3) es adecuado para proporcionar una función de oscurecimiento de longitudes de onda dentro del intervalo visible (por ejemplo, entre 400-600 nm) mientras retiene una alta transmisión en las longitudes de onda entre 600 y 800 nm. La cantidad de Cr2O3 presente es 0,01 % a 0,04 %; preferentemente 0,016 % a 0,02 %; y con mayor preferencia 0,016 % a 0,018 %. Debido a la presencia de Cr2O3 en la composición, la cerámica de vidrio muestra baja transmisión en el intervalo azul.
El óxido de hierro (Fe2O3) conduce a la absorción principalmente en las longitudes de onda infrarrojas; sin embargo, el óxido de hierro también está involucrado en las longitudes de onda visibles y afecta la coloración de la cerámica de vidrio. La cantidad de Fe2O3 presente es de 0,12 % a 0,4 %; preferentemente 0,15 % a 0,35 %; y con mayor preferencia 0,16 % a 0,25 %. En particular, el efecto de Fe2O3 dentro de las composiciones enumeradas se puede ajustar al variar el contenido de óxido de vanadio. Por ejemplo, en el contenido de Fe2O3 superior a 0,15 %, la transmisión en el intervalo visible aumenta ligeramente (probablemente porque SnO2 reduce preferentemente Fe2O3 y, en consecuencia, la cantidad de vanadio reducido es menor). Tal aclaramiento de la cerámica de vidrio puede ser entonces compensado por un mayor contenido de V2O5 (sin embargo, al permanecer dentro del intervalo indicado arriba).
Con referencia aún a la Figura 4, como el contenido de Cr2O3 aumenta, el tono (b*) pasa de niveles negativos (azul) a niveles positivos (amarillo). El ejemplo comparativo 7 (marcado como "7'") se representa a modo de ilustración. Como el contenido de Fe2O3 aumenta, el tono (a*) pasa de niveles positivos bajos (verde) a niveles positivos más altos (rojo), y el tono (b*) pasa de niveles negativos (azul) a niveles positivos (amarillo). En el gráfico ilustrado se muestran varias muestras. Una primera muestra (etiquetada como "1" y correspondiente al Ejemplo 1 de la Figura 1) tenía una composición base dentro de los intervalos discutidos anteriormente, que incluye 0,0173 % de Cr2O3 y 0,16% de Fe2O3. Tal composición está claramente en el lado de la escala de coloración ilustrada. Una segunda muestra (etiquetada como "2" y correspondiente al Ejemplo 2 de la Figura 1) también tenía una composición de base dentro de los intervalos anteriores, que incluye 0,0173 % de Cr2O3 y 0,25 % de Fe2O3. La composición presentó movimiento tanto en la dirección amarilla como en la roja (es decir, hacia el marrón) de la escala de coloración ilustrada. Una tercera muestra (etiquetada como "5" y correspondiente al Ejemplo 5 de la Figura 1) también tenía una composición de base dentro de los intervalos anteriores, que incluye 0,021 % de Cr2O3 y 0,25 % de Fe2O3. La composición presentó más movimiento en las direcciones amarilla y roja de la escala de coloración ilustrada. Una cuarta muestra (etiquetada como "3" y correspondiente al Ejemplo 3 de la Figura 1) también tenía una composición base dentro de los intervalos anteriores, que incluye 0,0173 % de Cr2O3 y 0,3 % de Fe2O3. La composición presentó una coloración aún más cercana a un rojo-marrón.
Al tener en cuenta lo anterior, junto con una o más características descritas anteriormente, de acuerdo con una o más modalidades deseadas, el tono (a*) puede ser uno de: (i) 0 a 4; (ii) 0 a 3; y (iii) 0 a 2. Adicionalmente y/o alternativamente, el tono (b*) puede ser uno de: (i) entre -2 y 4; (ii) -1 a 3; y (iii) 0 a 2.
Con referencia a la Figura 5 se prepararon varias muestras que tenían composiciones diferentes en comparación con las muestras de la Figura 1. La Figura 6 es una tabla de características de los materiales de cerámica de vidrio producidos mediante el uso de las composiciones de la Figura 5 después de un proceso de ceramización de vidrio. Se encontró que las composiciones de los ejemplos comparativos 1, 2, 3 y 4 no eran deseables porque el nivel de Fe2O3 era demasiado bajo y arrojaba valores inaceptables de la transmisión óptica integrada (Tl). Se encontró que la composición del ejemplo comparativo 5 no era deseable porque no contenía Cr2O3 y por lo tanto no produjo una coloración satisfactoria. Existía un problema similar para el ejemplo comparativo 7, ya que tampoco contenía Cr2O3. Con referencia a la Figura 4, se muestra el punto de datos para el ejemplo comparativo 7 (ver etiqueta número 7'), que presenta un tono (b*) significativamente hacia el azul. Cuando una pequeña cantidad de CrO2 se agrega (ver Ejemplo 5 o Ejemplo 2 de la Figura 1), el color se desplazó hacia valores positivos de tono (b*) como se muestra en la Figura 4 con etiqueta número 2 o etiqueta número 5. El ejemplo comparativo 6 no es deseable porque no incluye al menos uno de los óxidos (V2O5, CoO, NiO y CeO2) y, por lo tanto, no presenta una transmisión óptica integrada (Tl) satisfactoria.
Dentro del alcance de las modalidades descritas, se contempla que la composición de la cerámica de vidrio contenga, además de Fe2O3, V2O5 y Cr2O3, al menos otro agente colorante. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la presencia de uno o más agentes colorantes adicionales puede influir en las características de transmisión óptica objetivo descritas anteriormente. Por lo tanto, se debe prestar atención a las posibles interacciones, incluso con niveles relativamente bajos de tales agentes colorantes adicionales. Por ejemplo, el CoO solo puede ser tolerado en cantidades muy pequeñas porque el CoO absorbe fuertemente la luz en las longitudes de onda infrarrojas y de manera no despreciable en las longitudes de onda de 625 nm.
Variaciones y Modalidades
Aunque la discusión anterior se ha presentado principalmente en términos de obtener una cerámica de vidrio para una encimera de cocina, los artesanos expertos apreciarán que las modalidades en la presente descripción pueden aplicarse a muchos otros productos.
Aunque la discusión anterior se ha dirigido principalmente a las composiciones de vidrio y las propiedades de la cerámica de vidrio, los artesanos expertos apreciarán que la discusión se ha proporcionado en detalle significativo para permitir una serie de métodos y procesos para fabricar tales materiales de vidrio y cerámica de vidrio y productos resultantes. En esencia, las etapas básicas del proceso pueden incluir el tratamiento térmico de una carga vitrificable de materias primas en condiciones que aseguren sucesivamente la fusión, el refinado y luego la ceramización. La carga es un precursor de un vidrio para producir los materiales de cerámica de vidrio descritos anteriormente, ventajosamente que tiene la composición base especificada anteriormente.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Una cerámica de vidrio que comprende en % en peso:
60-72 % de SÍO2,
18-23 % de AhOa,
2.5- 4,5% de LÍ2O,
0-2,5 % de ZrO2,
1.5- 4 % TÍO2,
0-3 % de MgO,
0-3 % de ZnO,
0-5 % de BaO,
0-5 % de SrO,
en donde 0 < BaO+SrO < 5
0-2 % de CaO,
0-1,5 % de K2O,
0-1,5 % de Na2O,
0-5 % de P2O5,
0-2 % de B2O3,
0,005-0,2 % de V2O5,
0,12-0,4% de Fe2Oa,
0,01-0,04 % de Cr2Oa,
0-0,05 % de CoO,
0-0,3 % de NiO,
0-0,2 % de CeO2, y
0-0,6 % de SnO2, y que contiene beta-espodumeno como fase cristalina predominante, en donde la cerámica de vidrio presenta un color marrón-gris.
2. La cerámica de vidrio de la reivindicación 1, en donde una luminosidad L* de la misma está entre 20- 40, medida en reflexión mediante el uso de un iluminante D65, prueba de observador de 10°.
3. La cerámica de vidrio de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde al menos uno de:
un tono verde-rojo (a*) de la cerámica de vidrio es uno de: (i) entre 0 a 4; (ii) 0 a 3; y (iii) 0 a 2, un tono azul-amarillo (b*) de la cerámica de vidrio es uno de: (i) entre -2 a 4; (ii) -1 a 3; y (iii) 0 a 2, y dicho tono se mide mediante el uso de un iluminante D65, prueba de observador de 10°.
4. La cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde un coeficiente de expansión térmica es uno de: (i) menos de 15x10-7 /°C; (ii) menos de 13x10-7 /°C; y (iii) menos de 11x10-7/°C.
5. La cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una transmisión visible integrada (Tl) es una de: (i) entre 0,3 % a 6 %; (ii) entre 0,4 % a 5 %; (iii) entre 0,5 % a 5 %; (iv) entre 0,6 % a 4 %; (v) entre 0,7 % a 3 %; y (vi) entre 0,8 % a 2 %, y en donde dicha transmisión visible integrada (Tl) se mide mediante el uso un iluminante D65, prueba de observador de 2° en cerámica de vidrio de 4 mm de grosor.
6. La cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la transmisión óptica, medida a 625 nm, es superior al 3,5 %, en donde dicha transmisión óptica se mide mediante el uso de un iluminante D65, prueba de observador de 2° en cerámica de vidrio de 4 mm de grosor.
7. La cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una transmisión óptica, medida a 950 nm, es una de: (i) entre 35-75 %; (ii) entre 50-70 %; y (iii) entre 45-55 %, y en donde dicha transmisión óptica se mide mediante el uso de un iluminante D65, prueba de observador de 2° en cerámica de vidrio de 4 mm de grosor.
8. La cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una transmisión óptica infrarroja, medida a 1600 nm, es una de: (i) entre 45-80 %; (ii) entre 50-75 %; y (iii) entre 45-60 %, y en donde dicha transmisión óptica se mide mediante el uso de un iluminante D65, prueba de observador de 2° en cerámica de vidrio de 4 mm de grosor.
9. La cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la cerámica de vidrio está sustancialmente libre de As2O3 y Sb2O3.
10. Un método para fabricar una cerámica de vidrio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:
fundir una carga de materias primas vitrificables;
clarificar la carga hasta obtener vidrio fundido;
enfriar el vidrio fundido a una temperatura suficiente para moldearlo en la forma deseada; y
realizar la ceramización del vidrio moldeado a una temperatura máxima entre 960 °C y 1060 °C, para producir un material de cerámica de vidrio de tipo aluminosilicato de litio que contiene beta-espodumeno como fase cristalina predominante,
en donde la cerámica de vidrio presenta un color marrón-gris.
11. El método de la reivindicación 10, en donde al menos uno de:
un tono verde-rojo (a*) de la cerámica de vidrio es uno de: (i) entre 0 a 4; (ii) 0 a 3; y (iii) 0 a 2, un tono azul-amarillo (b*) de la cerámica de vidrio es uno de: (i) entre -2 a 4; (ii) -1 a 3; y (iii) 0 a 2, y dicho tono se mide en reflexión mediante el uso de un iluminante D65, prueba de observador de 10°.
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