WO2002083587A1 - Composition de laine minerale - Google Patents

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Serge Vignesoult
Laurent Teyssedre
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Saint-Gobain Isover
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00Fibre or filament compositions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2213/00Glass fibres or filaments
    • C03C2213/02Biodegradable glass fibres

Definitions

  • the rate of lime, CaO, of the selected compositions is between at least 16 and 25%.
  • the CaO lime level is preferably greater than 16.5 %, in particular greater than 17% and / or preferably less than 23%, in particular less than 20%.
  • composition has made it possible to combine a whole series of advantages, in particular by playing on the multiple, complex roles played by a certain number of its specific constituents.
  • biosoluble character it is known to increase the alumina content of mineral wool compositions in order to obtain good biosolubility when the alumina level is around 20%.
  • compositions result in significant additional costs, in particular because of the raw materials carrying alumina, the cost of which is high, for example bauxite. It is therefore particularly advantageous to limit the level of alumina.
  • compositions according to the invention are both compatible with fiberizing processes and particularly biosoluble with moderate levels of alumina, which we will hereinafter call “intermediate alumina”.
  • Adding boron oxide which is optional and in particular of a content of 1 to 5%, preferably at least 2% and / or preferably at most 4%, can make it possible to improve the thermal insulation properties mineral wool, in particular by tending to lower its coefficient of thermal conductivity in its radiative component.
  • the composition can also contain TiO 2 as impurities or added voluntarily, for example in a content up to 1 to
  • the mineral wools according to the invention are used mainly for manufacturing thermal and / or acoustic insulation products or soilless growing substrates.
  • the subject of the invention is also all products comprising at least in part mineral wools defined above. Other details and advantageous characteristics will emerge from the description below of preferred nonlimiting embodiments.

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Abstract

Laine minérale susceptible de se dissoudre dans un milieu physiologique, et qui comprend les constituants ci-après selon les pourcentages pondéraux (I), et qui respectent le critère basé sur le ratio R1, tel que R1 = MgO/CaO où R1 est supérieur à 0,8, de préférence supérieur à 1.

Description

COMPOSITION DE LAINE MINERALE
La présente invention concerne le domaine des laines minérales artificielles. Elle vise plus particulièrement les laines minérales destinées à fabriquer des matériaux d'isolation thermique et/ou acoustique ou des substrats de culture hors sol.
Elle s'intéresse plus particulièrement aux laines minérales du type laine de roche, c'est-à-dire dont les compositions chimiques entraînent une température de liquidus élevée et une grande fluidité à leur température de fibrage, associées à une température de transition vitreuse élevée.
Ce type de laine minérale est fibre usuellement par des procédés de centrifugation dits " externes ", par exemple du type de ceux utilisant une cascade de roues de centrifugation alimentées en matière fondue par un dispositif de distribution statique, comme décrit notamment dans les brevets EP-0 465 310 ou EP-0439 385.
Aux critères connus de faisabilité industrielle et économique, de niveau de qualité, s'est ajouté depuis quelques années celui d'un caractère biodégradable de la laine minérale, à savoir la capacité de celle-ci à se dissoudre rapidement en milieu physiologique, en vue de prévenir tout risque pathogène potentiel lié à l'accumulation éventuelle des fibres les plus fines dans l'organisme par inhalation.
Une première solution au problème du choix de composition de laine minérale de type roche et à caractère biosoluble consiste dans l'emploi de taux d'alumine très élevé.
La présente invention a pour but d'améliorer la composition chimique des laines minérales de type roche, amélioration visant notamment à augmenter leur caractère biodégradable et/ou à concilier un caractère biodégradable avec une capacité à être fibre notamment et avantageusement par centrifugation externe, sans exclure cependant d'autres modes de fibrage. L'invention a pour objet une laine minérale susceptible de se dissoudre dans un milieu physiologique, qui comprend les constituants ci-après selon les pourcentages pondéraux suivants :
SiO2 35-45 %, de préférence 40-45 %
Al203 6-16 %, — 10-15 %
CaO > 16-25 %, — 16,5-20 %
MgO 13-30 %, — 14-20 %
R20 ( Na2O + K2O) 0,1-8 %, — 2-5 % p2o5 < 1 %,
Fe203 0,1-15 %, — 3-10 %
B2O3 < 5 %, — < 4 %
TiO2 0-3 %, . -- 0,05-3 % et qui respectent le critère basé sur le ratio R1 , tel que R1 = MgO/CaO où R1 est supérieur à 0,8, de préférence supérieur à 1. Le taux de fer Fe2θ3, s'entend comme la somme des différents oxydes
(ferreux, ferriques...) de fer de la composition, exprimés sous la forme Fe2θ3.
Le taux de silice, SiO2, des compositions sélectionnées est compris entre 35 et 45 %, de préférence supérieur à 38%, notamment supérieur à 40 % et/ou de préférence inférieur à 44 %, il est de préférence supérieur à 43 % pour les compositions sélectionnées comprenant entre 6 et 12 % dΑI2O3 et de préférence inférieur à 45 %, notamment inférieur à 44 % pour les compositions sélectionnées comprenant entre 12 et 16 % dΑI2O3.
Le taux d'alumine, AI2O3, des compositions sélectionnées est compris entre 6 et 16 %, de préférence supérieur à 8 %, notamment supérieur à 10 % et/ou de préférence inférieur à 15 %, notamment inférieur à 14 %.
Avantageusement la somme SiO2 + AI2O3 est comprise entre 45 et 60 %, notamment supérieure à 50 %.
Le taux d'alcalino-terreux, RO, correspond à la somme du taux de chaux CaO et du taux de magnésie MgO. Les compositions sélectionnées ont RO compris entre 29 et 45 %, notamment supérieur à 32 % et/ou de préférence inférieur à 40 %.
Le taux de chaux, CaO, des compositions sélectionnées est compris entre au moins 16 et 25 %. Le taux de chaux CaO est de préférence supérieur à 16,5 %, notamment supérieur à 17 % et/ou de préférence inférieur à 23 %, notamment inférieur à 20 %.
Le taux de magnésie, MgO, des compositions sélectionnées est compris entre 13 et 30 %. Le taux de magnésie, MgO, est notamment supérieur e 14 %, de préférence inférieur à 20 %, notamment inférieur à 19 %.
Le taux d'alcalins, R2O = Na2O + K2O, des compositions sélectionnées est compris entre 0,1 et 8 %, de préférence supérieur à 1 et même supérieur à 2 % et/ou de préférence inférieur à 5 %, notamment inférieur à 3,5 %.
R2O peut être constitué majoritairement de Na2O ou de K2O. Les compositions pauvres en Na20 comprennent notamment de 0,05 à 1 % de Na2O.
Les compositions pauvres en K20 comprennent notamment de 0,5 à 1 % de K2O.
Le taux de phosphore, P2O5, des compositions sélectionnées est inférieur à 1 %, notamment inférieur à 0,5 %.
Le taux de fer, Fe2θ3, des compositions sélectionnées est compris entre 0,1 et 15 %. Selon un premier mode de réalisation le taux de fer est modéré ou élevé, de préférence supérieur à 3%, notamment supérieur à 5%, et/ou de préférence inférieur à 10% notamment inférieur à 8%. Selon un autre mode de réalisation le taux de fer est faible notamment inférieur à 3 %.
Dans la suite du texte, tout pourcentage d'un constituant de la composition doit se comprendre comme un pourcentage pondéral et les compositions selon l'invention peuvent comporter jusqu'à 2 ou 3 % de composés à considérer comme des impuretés non analysées, comme cela est connu dans ce genre de composition.
La sélection d'une telle composition a permis de cumuler toute une série d'avantages, notamment en jouant sur les multiples rôles, complexes, que jouent un certain nombre de ses constituants spécifiques.
Ainsi, il s'agit bien d'une composition de laine minérale de type roche : son taux en oxydes alcalins (R2O) essentiellement sous forme Na2O et/ou K2O est modéré, généralement inférieur à 8 %, de préférence inférieur à 5 %. Et parallèlement, son taux en oxydes alcalino-terreux (RO), essentiellement sous forme CaO et/ou MgO, est élevé, généralement d'au moins 29 % et même plutôt d'au moins 32 %. La viscosité au fibrage d'une telle composition est appropriée pour une centrifugation externe, avec des températures correspondant à une viscosité de
10 poises comprises entre 1300°C et 1450°C.
Quant au caractère biosoluble, il est connu d'augmenter la teneur en alumine des compositions de laine minérale afin d'obtenir de bonne biosolubilité quand le taux d'alumine est d'environ 20 %.
Il résulte de ces compositions des surcoûts importants, notamment à cause des matières premières porteuses d'alumine dont le coût est élevé, par exemple de la bauxite. II est donc particulièrement avantageux de limiter le taux d'alumine.
Cependant les compositions connues à taux d'alumine modéré sont en général peu ou pas biosolubles.
Les compositions selon l'invention sont à la fois compatibles avec les procédés de fibrage et particulièrement biosoluble avec des taux modérés d'alumine, que nous appellerons par la suite « alumine intermédiaire ».
L'invention permet d'obtenir un haut niveau de biosolubilité, au moins mesurée in vitro, en sélectionnant un taux d'alumine intermédiaire et en ajustant judicieusement le rapport d'alcalino-terreux, R1 , défini comme R1 = MgO/CaO.
Ce critère de sélection conduit à des compositions présentant des résultats de biosolubilité particulièrement inattendus et remarquables, à pH acide, quand R1 est supérieur à 0,8.
Avantageusement la composition de la laine minérale selon l'invention respecte le ratio R2, tel que R2 = Sι'02/MgO, et avec R2 inférieur ou égal à 3.
Selon un autre mode de réalisation, la composition de laine minérale selon l'invention respecte le ratio R3, tel que R3 = AI2θ3 MgO et avec R3 inférieur ou égal à 1 ,3, en particulier inférieur ou égal à 1.
L'oxyde de bore, B2θ3, peut être absent de la composition ou présent à l'état de traces, notamment de 0,05 à 1 %.
Ajouter de l'oxyde de bore, qui est optionnel et notamment d'une teneur de 1 à 5 %, de préférence au moins 2 % et/ou de préférence au plus 4 %, peut permettre d'améliorer les propriétés d'isolation thermique de la laine minérale, notamment en tendant à abaisser son coefficient de conductivité thermique dans sa composante radiative. Optionnellement, la composition peut aussi contenir du TiO2 en tant qu'impuretés ou ajouté volontairement, par exemple dans une teneur jusqu'à 1 à
3 %.
Les laines minérales, comme mentionné plus haut, présentent un niveau de biosolubilité satisfaisant, mesurée par une méthode de mesure qui implique un pH acide.
Les compositions des laines minérales selon l'invention présentent ainsi généralement une vitesse de dissolution d'au moins 500 ng/cm2 par heure, et de préférence d'au moins 1000 ng/cm2 par heure, mesurée sur poudre à pH 4,5. A titre indicatif de telles valeurs de vitesse de dissolution mesurées sur poudre correspondent à des vitesses de dissolution de laines minérales (mesurées sur fibres) respectivement d'au moins 30 ng/cm2 par heure et d'au moins 60 ng/cm2 par heure.
La préparation des poudres pour la mesure des vitesses de dissolution est effectuée suivant la méthode proposée par la Société Allemande du Verre décrite dans L. Springer, « Laboratoriumbuch fur die Glassindustrie », 3eme édition, 1950, Halle/S : W. Knapp Verlag.
La vitesse de dissolution est notée KSiO2 et est exprimée en ng/cm2 par heure. La mesure de dissolution est effectuée de manière similaire à celle décrite dans la méthode d'essai sur fibres indiquée dans la norme NF T03-410, avec un pH de la solution d'attaque de 4,5 (mesure in vitro dans un fluide tamponné).
On considère usuellement que des valeurs de KSiO2 mesurées sur poudres sont satisfaisantes si elles sont supérieures à 500, de préférence 1000 ng/cm2 par heure.
Les laines minérales selon l'invention sont utilisées principalement pour fabriquer des produits d'isolation thermique et/ou acoustique ou des substrats de culture hors sol. L'invention a également pour objet tous les produits comprenant au moins pour partie des laines minérales définies plus haut. D'autres détails et caractéristiques avantageuses ressortent de la description ci-après de modes de réalisation préférés non limitatifs.
Le tableau 1 ci-après regroupe les compositions chimiques, en pourcentages pondéraux, de quatre exemples selon l'invention (Ex1 à Ex4) et de sept exemples comparatifs (notés de A à G). Quand la somme de toutes les teneurs de tous les composés est légèrement inférieure en général à 100 %, il est à comprendre que le taux résiduel correspond aux impuretés/composants minoritaires non analysés, taux d'au plus
0,5 % à 1 %, et/ou n'est dû qu'à l'approximation acceptée dans ce domaine dans les méthodes d'analyse utilisées.
Les compositions selon les exemples ont été fibrées par centrifugation externe, notamment selon l'enseignement des brevets précités.
Les résultats de mesure de la vitesse de dissolution de la silice KSiO2, exprimée en ng/cm2 par heure et mesurée sur poudre dans les conditions définies ci-dessus sont portés dans le tableau 1.
L'exemple comparatif A correspond à une composition connue comprenant un taux élevé d'alumine (22 %) et permet d'obtenir de très bonnes valeurs de biosolubilité.
Les autres exemples comparatifs, B à G sont des compositions peu éloignées du domaine sélectionné par l'invention et qui présentent des vitesses de dissolution très faibles, notamment de l'ordre de 100 ng/cm2 par heure.
Ces compositions confirment le caractère surprenant des valeurs de dissolution obtenues avec les compositions selon l'invention, exemples Ex1 à Ex4 où les vitesses de dissolution sont au moins de l'ordre de 2000 ng/cm2 par heure, voire supérieures à 5000 ng/cm2 par heure.
Les valeurs de dissolution obtenues avec les compositions selon l'invention sont du même ordre de grandeur que celles obtenues avec des taux élevés d'alumine (exemple A), tout en ayant un taux d'alumine très significativement inférieur et donc permettant d'obtenir des compositions dont le prix des matières premières est très avantageusement diminué.
Les compositions des exemples comparatifs B à G ont des taux d'alumine compris entre environ 6 et 16 %. Cependant le ratio R1 des compositions B, C, D, F, G est inférieur à 0,8. Le cas E correspond à un basalte, bien connu pour sa faible biosolubilité et comprenant peu d'alcalino-terreux (moins de 20 %), à la différence des compositions selon l'invention qui comprennent au moins 29 % d'alcalino-terreux.
Il se dégage donc de ces résultats que des taux de dissolution remarquablement élevés sont obtenus pour des compositions qui respectent les critères de sélection selon l'invention. Avantageusement ces compositions permettent d'obtenir des laines minérales biodégradables et également qui présentent une bonne résistance thermique.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Laine minérale susceptible de se dissoudre dans un milieu physiologique, caractérisée en ce qu'elle comprend les constituants ci-après selon les pourcentages pondéraux suivants :
SiO2 35-45 %, de préférence 40-45 %
AI2O3 6-16 %, — 10-15 %
CaO > 16-25 %, . 16,5-20 %
MgO 13-30 %, — 14-20 %
R2O ( Na20 + K2O) 0,1-8 %, — 2-5 %
Figure imgf000010_0001
Fe2O3 0,1-15 %, — 3-10 %
B2O3 < 5 %, ~ ≤ 4 %
TiO2 0-3 %, -- 0,05-3 % et caractérisée en ce que le ratio R1 , tel que :
R1 = MgO/CaO est supérieur à 0,8.
2. Laine minérale selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le ratio R1 est supérieur à 1.
3. Laine minérale selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le taux d'alcalino-terreux, RO est compris entre 29 et 45 %, notamment supérieur à 32 % et/ou de préférence inférieur à 40 %.
4. Laine minérale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ratio R2, tel que :
R2 = SiO2/MgO est inférieur ou égal à 3.
5. Laine minérale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ratio R3, tel que :
R3 = AI2O3/MgO est inférieur ou égal à 1 ,3, notamment inférieur ou égal à 1.
6. Laine minérale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est fibrée par centrifugation externe.
7. Produit destiné à l'isolation thermique et/ou acoustique ou substrat de culture hors sol et constitué au moins en partie de laine minérale caractérisée en ce que ladite laine présente une composition chimique telle que définie par l'une quelconque des revendications précédentes.
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