ES2624662T3

ES2624662T3 - Composición de vidrio para producir fibras de alta resistencia y de alto módulo

Info

Publication number: ES2624662T3
Application number: ES11791046.3T
Authority: ES
Inventors: Douglas Alan Hofmann; Peter Bernard Mcginnis
Original assignee: OCV Intellectual Capital LLC
Current assignee: Owens Corning Intellectual Capital LLC
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2017-07-17
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: DK2630095T3; WO2012052840A3; EP2630095A2; CN103228591A; EP2630095B1; WO2012052840A2; CN103228591B; US20130225025A1

Abstract

Una composición para preparar fibras de vidrio de alta resistencia que comprende: SiO2 en una cantidad de 70,6 a 79,6 % en peso del total de la composición; Al2O3 en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso del total de la composición; MgO en una cantidad de 10,0 a 19,0 % en peso del total de la composición; CaO en una cantidad de 0,1 a 5,0 % en peso del total de la composición; Li2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso del total de la composición; y Na2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso del total de la composición.

Description

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DESCRIPCION

Composicion de vidrio para producir fibras de alta resistencia y de alto modulo Remision a solicitud relacionada

Esta solicitud reivindica prioridad y todos los demas beneficios de la solicitud provisional de EEUU n.° de serie 61/394.177.

Campo tecnico y aplicabilidad industrial

La presente invencion se refiere en general a una composicion de vidrio y, mas particularmente, a una composicion de vidrio de alto rendimiento que posee propiedades de formacion aceptables y cuyos componentes se funden en un horno de fusion refractario. Las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion inventiva poseen un modulo mejorado y una densidad baja y se pueden usar para reforzar matrices compuestas en las que se desea alta resistencia, rigidez y poco peso.

Antecedentes de la invencion

Las fibras de vidrio se fabrican a partir de diversas materias primas combinadas en proporciones espedficas para producir una composicion qmmica deseada. Esta coleccion de materiales se califica comunmente "carga de vidrio". Para formar fibras de vidrio, por lo general, la carga de vidrio se funde en un horno de fusion o aparato de fundicion, el vidrio fundido se estira hasta dar filamentos al pasar a traves de una boquilla o placa perforada (los filamentos resultantes tambien se denominan fibras de vidrio continuas) y a los filamentos se les aplica una composicion de ensimaje que contiene lubricantes, agentes de acoplamiento y resinas aglutinantes filmogenas. Despues de aplicar el ensimaje, las fibras pueden agruparse en una o mas hebras y enrollarse en un paquete o, como alternativa, las fibras se pueden cortar estando humedas y juntarse. Las hebras cortadas reunidas se pueden, entonces, secar y curar para formar fibras cortadas secas o se pueden empaquetar en su estado humedo como fibras cortadas humedas.

La composicion de la carga de vidrio y el vidrio fabricado a partir de esta por lo general se expresan en terminos de porcentajes de los componentes, que principalmente se expresan en oxidos. SO2, A^O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3, y cantidades menores de otros compuestos tales como TO2, U2O, BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5, fluor y SO3 son componentes comunes de una carga de vidrio. Se pueden producir varios tipos de vidrio a partir de la variacion de las cantidades de estos oxidos o eliminando alguno de los oxidos de la carga de vidrio. Ejemplos de tales vidrios que se pueden producir incluyen vidrio R, vidrio E, vidrio S, vidrio A, vidrio C y vidrio ECR. La composicion de vidrio controla la formacion y las propiedades de producto del vidrio. Otras caractensticas de composiciones de vidrio incluyen el coste de la materia prima y el impacto ambiental.

Esta es una combinacion unica de propiedades de formacion que permiten que un vidrio se funda y se distribuya en un tanque refractario convencional y en un sistema de distribucion de vidrio. Primero, la temperatura a la que se somete el vidrio debe ser lo bastante baja de manera que no ataque agresivamente al refractario. Un ataque en un refractario puede tener lugar, por ejemplo, superando la temperatura de uso maxima del refractario o aumentando la velocidad a la que el vidrio corroe y erosiona el refractario hasta un nivel inaceptablemente alto. La velocidad de corrosion del refractario se incrementa fuertemente a medida que el vidrio se hace mas fluido por una disminucion en la viscosidad del vidrio. Por lo tanto, para que un vidrio se funda en un tanque refractario, la temperatura del refractario debe mantenerse por debajo de una temperatura determinada y la viscosidad del vidrio (por ejemplo, resistencia a fluir) debe mantenerse por encima de un valor determinado. Ademas, la temperatura del vidrio en la unidad de fundicion, ademas de durante todo el proceso de distribucion y de fibraje, debe ser lo bastante alta para prevenir la cristalizacion del vidrio (es decir, se debe mantener a una temperatura por encima de la temperatura de liquidus).

En el fibrador, es comun requerir un diferencial de temperatura mmimo entre la temperatura seleccionada para fibrar (es decir, temperatura de formacion) y la temperatura de liquidus del vidrio. Este diferencial de temperatura, AT, es una medida de lo facilmente que se pueden formar fibras sin que la produccion de fibras se vea interrumpida por roturas causadas por la desvitrificacion de cristales. En consecuencia, es deseable tener una AT tan amplia como sea posible para conseguir una formacion continua e ininterrumpida de fibra de vidrio.

En la busqueda de fibras de vidrio que tengan un rendimiento final mas alto, AT tiene, a veces, que sacrificarse para conseguir las propiedades finales deseadas. La consecuencia de este sacrificio es el requisito de que el vidrio se funda en un horno revestido de platino o aleacion de platino, bien porque la temperatura excedio la temperatura de uso final maxima de los materiales refractarios convencionales o porque la viscosidad del vidrio era tal que la temperatura del cuerpo de vidrio no se podfa mantener por encima de la temperatura de liquidus mientras se produda una viscosidad de vidrio lo bastante alta para mantener la corrosion de refractario a un nivel aceptable. El vidrio S2 es un ejemplo donde estos dos fenomenos tienen lugar. El punto de fusion del vidrio S2 es demasiado alto para los materiales refractarios comunes y la AT es muy pequena (o negativa), lo que causa que el vidrio sea muy

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fluido y muy corrosivo para los refractarios convencionales a temperaturas de vidrio por encima de la temperatura de liquidus. El vidrio R convencional tambien tiene una AT muy pequena y, por lo tanto, se funde en hornos de fusion revestidos de platino o aleacion de platino. Los documentos US 2010/0162772 y WO 2007/055968 divulgan composiciones de vidrio para fibras de vidrio de alta resistencia.

Por lo tanto, existe una necesidad en la tecnica de composiciones de vidrio de alto rendimiento que conserven propiedades mecanicas y ffsicas (por ejemplo, modulo espedfico y resistencia a la traccion) y propiedades de formacion (por ejemplo, temperatura de liquidus y temperatura de formacion) favorables, donde la temperatura de formacion sea lo suficientemente baja y la diferencia entre las temperaturas de formacion y de liquidus sea lo bastante amplia para permitir que los componentes de la composicion de vidrio se fundan en un tanque refractario convencional.

Sumario de la invencion

En una realizacion de la invencion se proporciona una composicion que incluye SiO2 en una cantidad de 70,6 a 79,6 % en peso, AhO3 en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso, MgO en una cantidad de 10,0 a 19,0 % en peso, CaO en una cantidad de 0,1 a 5,0 en peso, Li2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso y Na2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso. La frase "% en peso", tal como se usa en el presente documento, se pretende que se defina como el porcentaje en peso de la composicion total. En las realizaciones ejemplares, la composicion de vidrio esta libre o substancialmente libre de B2O3 y fluor, aunque se puede anadir cualquiera de los dos en pequenas cantidades para ajustar el fibraje y las propiedades del vidrio finales y no afectaran negativamente a las propiedades si se mantienen por debajo de cierto porcentaje. Tal como se usa en el presente documento, substancialmente libre de B2O3 y de fluor significa que la suma de las cantidades de B2O3 y fluor presentes es menor que el 1 % en peso de la composicion. La suma de las cantidades de B2O3 y fluor presentes puede ser menor que el 0,5 % en peso de la composicion o menor que el 0,2 % en peso de la composicion. Adicionalmente, la composicion puede contener de manera opcional cantidades traza de otros componentes o impurezas que no se hayan anadido intencionadamente. Ademas, la composicion de vidrio posee una temperatura de formacion (tambien denominada en el presente documento como la viscosidad de formacion, la temperatura de fibraje o la temperatura log 3) que es lo bastante baja para utilizar hornos de fusion refractarios de bajo coste en lugar de hornos de fusion revestidos de aleacion de platino de coste elevado convencionales para formar las fibras de vidrio.

Una fibra de vidrio continua formada de la composicion descrita anteriormente se produce usando un horno de fusion de tanque refractario. Utilizando un tanque refractario formado de bloques refractarios se pueden reducir los costes de fabricacion asociados a la produccion de fibras de vidrio producidas por la composicion inventiva. Las composiciones de vidrio se pueden usar para formar hebras de vidrio continuas para usarlas en aplicaciones donde se requiera alta resistencia, rigidez y densidad baja.

En otra realizacion mas de la presente invencion se proporciona una composicion reforzada formada de un producto, un material matriz y una pluralidad de fibras formadas con la composicion descrita anteriormente. El material matriz puede ser un polfmero y puede ser cualquier resina termoplastica o termoestable adecuada conocida para los expertos en la materia, y se incluyen termoplasticos tales como poliesteres, polipropileno, poliamida, tereftalato de polietileno y polibutileno, y resinas termoestables tales como resinas epoxi, poliesteres insaturados, fenolicos, vinilesteres y elastomeros. Las resinas de polfmero se pueden usar solas o combinadas para formar el producto compuesto final.

En otra realizacion mas de la presente invencion se proporciona un metodo de formacion de una fibra de vidrio de alto rendimiento. Las fibras pueden formarse mediante la obtencion de materias primas y la mezcla de los componentes en las cantidades apropiadas para dar los porcentajes en peso deseados de la composicion final. La carga mezclada, entonces, se funde en un horno de fusion refractario tradicional y se pasa a traves de los orificios de las boquillas a base de aleacion de platino para formar fibras de vidrio. Las hebras de fibras de vidrio se forman agrupando los filamentos individuales. Las hebras se pueden enrollar y procesar adicionalmente de una manera convencional adecuada para la aplicacion pretendida. Las fibras de vidrio de la invencion se pueden conseguir mediante cualquiera de los metodos descritos en el presente documento.

En otra realizacion de la presente invencion, la composicion inventiva tiene una temperatura de liquidus no mayor que 1.470 o 1.420 °C, una temperatura log 3 menor que 1.530 °C y una AT de hasta 210 °C.

En otra realizacion de la presente invencion, la composicion inventiva tiene una temperatura de liquidus no mayor que 1470 °C, una temperatura log 3 menor que 1525 °C y una AT de hasta 139 °C.

En otra realizacion mas de la invencion, las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion inventiva tienen una resistencia a la traccion de la fibra pnstina entre 4.150 y 4.960 o 5.223 MPa, un modulo entre 80 a 88 GPa y una densidad entre 2,37 a 2,51 g/cc.

En otra realizacion mas de la invencion, las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion inventiva tienen una resistencia a la traccion de la fibra pnstina de 4.590 y 5.230 o 5.232 MPa, un modulo de 82,8 a 87,4 GPa y una

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densidad de 2,39 a 2,48 g/cc.

En otra realizacion de la invencion, las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion inventiva tienen un modulo espedfico entre 3,4 X 107 J/kg y 3,6 X 107 J/kg y una resistencia espedfica entre 1,7 X 106 J/kg y 2,0 o 2,14 X 106 J/kg.

En otra realizacion de la invencion, las fibras de vidrio formadas a partir de la composicion inventiva tienen un

modulo espedfico de 3,4 X 107 J/kg a 3,56 o 3,6 X 107 J/kg y una resistencia espedfica de 1,9 X 106 J/kg a 2,1 X 106

J/kg.

modulo espedfico de 3,40 X 107 J/kg a 3,56 X 107 J/kg y una resistencia espedfica de 1,85 X 106 J/kg a 2,14 X 106

J/kg.

En otra realizacion de la presente invencion, la composicion de vidrio posee una viscosidad de formacion que es lo bastante baja y una AT que es lo bastante amplia para utilizar hornos de fusion refractarios de bajo coste en lugar de hornos de fusion revestidos de aleacion de platino de coste elevado convencionales en la formacion de fibras de vidrio.

En otra realizacion de la presente invencion, las fibras formadas a partir de la composicion inventiva estan formadas a un coste mas bajo debido a la aportacion mas baja de energfa necesitada para fundir la composicion de vidrio.

Los objetos, caractensticas y ventajas de la invencion precedentes y otros apareceran con todo detalle en lo sucesivo en el presente documento a partir de una consideracion de la descripcion detallada que sigue.

Descripcion detallada y realizaciones preferidas

A menos que se indique de otro modo, todos los terminos tecnicos y cientfficos usados en el presente documento tienen el mismo significado que comunmente entiende un experto en la materia a la que pertenece la invencion. Aunque se puede usar en la practica o prueba de la presente invencion cualquier metodo o material similar o equivalente a aquellos descritos en el presente documento, se describen los metodos y materiales preferidos. Los terminos "composicion" y "formulacion" pueden usarse indistintamente en el presente documento. Adicionalmente, la expresion "composicion de vidrio inventiva" y "composicion de vidrio" pueden usarse indistintamente.

La presente invencion se refiere a una composicion de vidrio usada para formar fibras de vidrio continuas que posean un modulo excepcional y una densidad baja. La composicion de vidrio posee una temperatura de formacion baja y una AT lo suficientemente amplia para permitir la utilizacion de hornos de fusion con tanques refractarios de bajo coste para la formacion de fibras de vidrio en lugar de hornos de fusion de coste elevado convencionales de platino. Utilizando un tanque refractario formado de bloques refractarios, se reducen los costes de fabricacion asociados a la produccion de fibras de vidrio producidas por la composicion inventiva. Adicionalmente, la energfa necesaria para fundir los componentes de la composicion de vidrio es menor que la energfa necesaria para fundir muchas formulaciones de vidrio disponibles en el mercado. Tales requisitos de menor energfa pueden tambien reducir los costes de fabricacion totales asociados con el vidrio inventivo. Ademas, la composicion de la presente invencion conserva la habilidad de fabricar un producto de fibra y fibra de vidrio de alto rendimiento comercialmente aceptables producidos a partir de las fibras de vidrio. En particular, las fibras de vidrio formadas a partir del uso de la composicion inventiva pueden usarse para formar productos compuestos que son a la vez ligeros y excepcionalmente fuertes.

La composicion de vidrio inventiva incluye los siguientes componentes en los intervalos de porcentaje en peso dados en la Tabla 1. Tal como se usa en el presente documento, las expresiones "porcentaje en peso" y "porcentaje de peso" pueden usarse indistintamente y se entiende que indican el porcentaje en peso (o porcentaje de peso) basado en la composicion total.

TABLA 1

Qufmico: % en peso

SiO2: 70,6 - 79,6

A^O3: 10,0 -18,5

MgO: 10,0 -19,0

CaO: 0,1 -5,0

UO: 0,0 -3,0

Na2O: 0,0 -3,0

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En una realizacion de la invencion, la composicion de vidrio puede comprender SiO2 en una cantidad de 70,6 a 73,55% en peso, A^O3 en una cantidad de 10,68 a 18,5 % en peso, MgO en una cantidad de 10,0 a 15,62 % en peso, CaO en una cantidad de 0,1 a 1,70 % en peso, Li2O en una cantidad de 0,08 a 3,0 % en peso y Na2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso y por lo tanto incluye los componentes expuestos en la Tabla 2.

TABLA 2

Qufmico: % en peso

SiO2: 70,6 - 73,55

A^O3: 10,68 - 18,5

MgO: 10,0 -15,62

CaO: 0,1 - 1,7

Li2O: 0,08 -3,0

Na2O: 0,0 -3,0

En una realizacion de la invencion, la composicion de vidrio comprende SiO2 en una cantidad de 70,6 a 73,0 % en peso, AhO3 en una cantidad de 16,0 a 18,5 % en peso, MgO en una cantidad de 10,0 a 13,0 % en peso, CaO en una cantidad de 0,1 a 2,0 % en peso, Li2O en una cantidad de 0,0 a 2,0 % en peso y Na2O en una cantidad de 0,0 a 2,0 % en peso y por lo tanto incluye los componentes expuestos en la Tabla 3.

TABLA 3

Qutmico: % en peso

SiO2: 70,6 - 73,0

Al2O3: 16,0 -18,5

MgO: 10,0 -13,0

CaO: 0,1 -2,0

Li2O: 0,0 -2,0

Na2O: 0,0 -2,0

En una realizacion de la invencion, la composicion de vidrio comprende SiO2 en una cantidad de 70,85 a 77,56 % en peso, Al2O3 en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso, MgO en una cantidad de 10,0 a 12,58 % en peso, CaO en una cantidad de 0,1 a 1,7 % en peso, Li2O en una cantidad de 0,0 a 2,34 % en peso y Na2O en una cantidad de 0,0 a 0,98 % en peso y por lo tanto incluye los componentes expuestos en la Tabla 4.

TABLA 4

Qutmico: % en peso

SiO2: 70,85 - 77,56

Al2O3: 10,0 -18,5

MgO: 10,0 -12,58

CaO: 0,1 - 1,7

Li2O: 0,0 -2,34

Na2O: 0,0 -0,98

En una realizacion de la invencion, la composicion de vidrio comprende SiO2 en una cantidad de 70,60 a 77,56 % en peso, Al2O3 en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso, MgO en una cantidad de 10,0 a 12,95 % en peso, CaO en una cantidad de 0,1 a 1,7 % en peso, Li2O en una cantidad de 0,08 a 3,0 % en peso y Na2O en una cantidad de 0,0 a 0,98 % en peso y por lo tanto incluye los componentes expuestos en la Tabla 5.

TABLA 5

Qutmico: % en peso

SiO2: 70,60 - 77,56

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Qutmico: % en peso

Al2O3: 10,0 -18,5

MgO: 10,0 -12,95

CaO: 0,1 - 1,7

Li2O: 0,08 -3,0

Na2O: 0,0 -0,98

Ademas, las impurezas o los materiales residuales pueden estar presentes en la composicion de vidrio sin afectar negativamente a los vidrios o a las fibras. Estas impurezas pueden entrar en el vidrio como impurezas de la materia prima o pueden ser productos formados por la reaccion qmmica del vidrio fundido con componentes del horno. Ejemplos no limitantes de materiales residuales incluyen potasio, hierro, cinc, estroncio y bario, todos los cuales estan presentes en sus formas de oxido, y fluor y cloruro. La composicion de vidrio puede estar libre o substancialmente libre de B2O3 y fluor.

Las composiciones de vidrio descritas en el presente documento pueden contener B2O3 y fluor en una cantidad combinada de menos de un 1 % en peso de la composicion. Ademas, las composiciones de vidrio descritas en el presente documento pueden contener menos de un 1 % en peso de cada uno de K2O, Fe2O3, TO2, BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 y SO3. La suma de los componentes de las composiciones de vidrio descritas en el presente documento, por supuesto, asciende al 100 % en peso.

La invencion tambien se refiere a las fibras de vidrio formadas por las composiciones de vidrio divulgadas en el presente documento. Las fibras de vidrio pnstinas (es decir, fibras sin ensimaje e intactas producidas en laboratorio) tienen una resistencia a la traccion de fibra de 4.150 a 4.960 o 5.232 MPa. Adicionalmente, las fibras pnstinas tienen un modulo de 80 a 88 GPa o entre 83 y 87 GPa, y una densidad de 2,37 a 2,51 g/cc.

En otra realizacion, las fibras de vidrio pnstinas tienen una resistencia a la traccion de la fibra de 4.590 a 4.960 o 5.232 MPa. Adicionalmente, las fibras pnstinas tienen un modulo de 82,8 a 87,4 GPa o entre 83 y 87 GPa, y una densidad de 2,38 o 2,39 a 2,48 g/cc.

La resistencia a la traccion de la fibra tambien se denomina “resistencia” en el presente documento y se mide sobre fibras pnstinas usando un aparato de prueba de traccion Instron de acuerdo con el ASTM D2343-09. Tal como se hace referencia en el presente documento, el modulo es un promedio de mediciones de 5 fibras de vidrio individuales de acuerdo con el procedimiento descrito en el informe “Glass Fiber and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory”, numero de informe NOLTR 65-87, 23 de junio de 1965. La densidad se mide mediante el metodo de Arqmmedes (ASTM C693-93(2008)) en vidrio macizo sin recocer.

Las propiedades de fibraje de la composicion de vidrio de la presente invencion incluyen la temperatura de fibraje, la temperatura de liquidus y la AT. La temperatura de fibraje se define como la temperatura que corresponde a la viscosidad de alrededor de 1.000 poise y, tal como se usa en el presente documento, se mide usando un metodo de cilindro rotatorio (ASTM C965-96(2007)). La temperatura de fibraje tambien puede hacer referencia a la temperatura log 3 o a la viscosidad de formacion. El descenso de la temperatura de fibraje puede reducir los costes de produccion de las fibras de vidrio porque permite una vida util de la boquilla mas larga y un uso reducido de la energfa. Por ejemplo, a una temperatura de fibraje mas baja, una boquilla opera a una temperatura mas fna y no se "comba". El combamiento es un fenomeno que tiene lugar en boquillas que estan sometidas a una temperatura elevada durante periodos de tiempo extensos. Por lo tanto, al bajar la temperatura de fibraje, la tasa de combamiento de la boquilla se puede reducir y la vida util de la boquilla se puede aumentar.

Ademas, una temperatura de fibraje menor permite una produccion mayor ya que el vidrio se puede fundir en un periodo dado a aportacion de energfa dada. Adicionalmente, una temperatura de fibraje mas baja permitira que el vidrio formado con la composicion inventiva se funda en un horno de fusion revestido refractario en lugar de en hornos de fusion de coste elevado convencionales formados de platino, ya que tanto el punto de fusion como la temperatura de fibraje estan por debajo de las temperaturas de uso superiores de muchos refractarios disponibles en el mercado. La composicion de vidrio inventiva tiene una temperatura de fibraje (es decir, temperatura log 3) que es menor que 1.525 °C o 1.530 °C. En realizaciones ejemplares, la temperatura log 3 es de 1.268 °C a 1.525 °C o de 1.300 o 1.310 °C a 1.530 °C.

La temperatura de liquidus se define como la temperatura mas alta en la que existe equilibrio entre el vidrio lfquido y su fase cristalina primaria. Tal como se usa en el presente documento, la temperatura de liquidus se mide mediante la exposicion de la composicion de vidrio a un gradiente de temperatura en un bote de aleacion de platino durante 16 horas (ASTM C829-81 (2005)).

A todas las temperaturas por encima de la temperatura de liquidus, el vidrio esta libre de cristales en su fase

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primaria. A temperaturas por debajo de la temperatura de liquidus pueden formarse cristales. Adicionalmente, la temperatura de liquidus es la temperatura mas alta a la que puede tener lugar la desvitrificacion al enfriar la masa fundida de vidrio. A todas las temperaturas por encima de la temperatura de liquidus, el vidrio se funde por completo. La temperatura de liquidus de la composicion inventiva es deseablemente no mayor que 1.469 °C o 1.470 °C, y puede variar de 1.299 °C a 1.469 °C o de 1.300 °C a 1.470 °C. En una realizacion, la temperatura de liquidus de la composicion inventiva es deseablemente no mayor que 1.420 °C y pude variar de 1.200 °C a 1.420 °C.

Una tercera propiedad del fibraje es "AT", la cual se define como la diferencia entre la temperatura de fibraje (es decir, la temperatura log 3) y la temperatura liquidus. Si la AT es demasiado pequena, el vidrio fundido puede cristalizar en el aparato de fibraje y causar una rotura en el proceso de fabricacion. Deseablemente, la AT es lo mas amplia posible para una viscosidad de formacion dada. Una AT mas amplia ofrece un grado mayor de flexibilidad durante el fibraje y ayuda a evitar la desvitrificacion tanto en el sistema de distribucion de vidrio como en el aparato de fibraje. Adicionalmente, una AT mas amplia reduce los costes de produccion de las fibras de vidrio al permitir una vida util mayor de la boquilla y un proceso de formacion menos sensible. La composicion inventiva puede tener una AT de hasta 139 °C, 140 °C o 210 °C, y en realizaciones ejemplares, de -54 °C a 139 °C o 140 °C y de 70 °C a 210 °C. En una realizacion, AT es mayor que 60 °C.

Otra propiedad importante es el modulo espedfico. Es deseable tener un modulo espedfico tan alto como sea posible para conseguir un material compuesto ligero que anada rigidez al artfculo final. El modulo espedfico es importante en aplicaciones donde la rigidez del producto es un parametro importante, como en energfa eolica o en aplicaciones aeroespaciales. Tal como se usa en el presente documento, el modulo espedfico se calcula mediante la siguiente ecuacion: Modulo Espedfico (MJ/kg) = Modulo (GPa)/Densidad (kg/metro cubico). En la composicion inventiva, el vidrio tiene un modulo espedfico de 3,40 X 107 J/kg a 3,56 X 107 J/kg o 3,6 X 107 J/kg. En una realizacion, las fibras de vidrio tienen un modulo espedfico mayor o igual que 3,5 X 107 J/kg. Ademas, las fibras de vidrio tienen una resistencia de 1,7 o 1,85 X 106 J/kg a 2,0, 2,1 o 2,14 X 106 J/kg. En una realizacion, las fibras de vidrio tienen una resistencia espedfica mayor o igual que 2,0 X 106 J/kg. Tal como se usa en el presente documento, la resistencia espedfica se calcula mediante la siguiente ecuacion: Resistencia Espedfica (MJ/kg) = Resistencia (MPa)/Densidad (kg/metro cubico).

En general, las fibras de vidrio de acuerdo con la presente invencion pueden formarse mediante la obtencion de materias primas y la mezcla o combinacion de los componentes en un modo convencional en las cantidades apropiadas para dar los porcentajes en peso deseado de la composicion final. Por ejemplo, los componentes se pueden obtener de ingredientes o materias primas adecuadas que incluyan, pero no se limiten a, arena o pirofilita para SiO2, piedra caliza, oxido de calcio, wollastonita o dolomita para CaO, caolm, alumina o pirofilita para AhO3, dolomita, cal dolomftica, brucita, enstatita, talco, magnesita quemada o magnesita para MgO, carbonato de litio o espodumeno para Li2O y carbonato de sodio, feldespato de sodio o sulfato de sodio para Na2O. Los trozos de vidrio tambien se pueden usar para suministrar uno o mas de los oxidos necesitados. La carga mezclada, entonces, se funde en un horno de fusion refractario tradicional y la masa de vidrio fundido se pasa por un canal de distribucion y al interior de boquillas (por ejemplo, cojinetes a base de aleacion de platino) situados a lo largo de la parte inferior del canal de distribucion. Las temperaturas de funcionamiento del vidrio en el horno, canal de distribucion y boquilla se seleccionan para ajustar apropiadamente la viscosidad del vidrio y pueden mantenerse usando metodos adecuados tales como dispositivos de control. Preferiblemente, la temperatura en el extremo delantero del horno de fusion se controla automaticamente para reducir o eliminar la desvitrificacion. El vidrio fundido, entonces, se empuja (se pasa) a traves de agujeros u orificios en la parte inferior o placa final de la boquilla para formar fibras de vidrio. Las corrientes de vidrio fundido que fluyen a traves de los orificios de la boquilla se atenuan a filamentos enrollando una hebra formada por una pluralidad de filamentos individuales en un tubo de formacion montado sobre una placa metalica circular giratoria de una maquina de bobinado o se cortan a una velocidad adaptativa.

Las fibras pueden procesarse adicionalmente de una manera convencional adecuada para la aplicacion pretendida. Por ejemplo, a las fibras de vidrio se les puede aplicar ensimaje con una composicion de ensimaje conocida por los expertos en la materia. La composicion de ensimaje no esta en modo alguno restringida y puede ser cualquier composicion de ensimaje adecuada para fibras de vidrio. Las fibras con ensimaje pueden usarse para reforzar sustratos tales como una variedad de plasticos donde el uso final del producto requiere alta resistencia, rigidez y ligereza. Tales aplicaciones incluyen, pero no se limitan a, telas tejidas para uso en formacion de palas de aerogenerador, planchas de blindaje y estructuras aeroespaciales. A este respecto, la presente invencion tambien incluye un material compuesto que incluye las fibras de vidrio inventivas, como se describe anteriormente, en combinacion con un material matriz endurecible. El material matriz puede ser cualquier resina termoplastica o termoestable conocida por los expertos en la materia, tales como, pero no limitadas a, termoplasticos tales como poliesteres, polipropileno, poliamida, tereftalato de polietileno y polibutileno, y resinas termoestables tales como resinas epoxi, poliesteres insaturados, fenolicos, vinilesteres y elastomeros. Estas resinas se pueden usar solas o combinadas.

Habiendo descrito de forma general esta invencion, se puede obtener una comprension adicional al hacer referencia a determinados ejemplos espedficos ilustrados a continuacion que se proporcionan con fines unicamente ilustrativos y que no se pretende que sean totalmente inclusivos o limitadores a menos que se especifique otra cosa.

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Ejemplos

Ejemplo 1: Composiciones de vidrio de alto rendimiento

Las composiciones de vidrio de acuerdo con la presente invencion se fabrican mezclando qmmicos de calidad reactiva en cantidades proporcionadas para conseguir una composicion de vidrio final con los porcentajes en peso de oxido expuestos en las Tablas 6 y 7. Las materias primas se funden en un crisol de platino en un horno calentado electricamente a una temperatura de 1.650 °C durante 3 horas. La viscosidad de formacion (es decir, la temperature que corresponde a una viscosidad de alrededor de 1.000 poise) se midio usando un metodo de cilindro rotatorio (ASTM C965-96(2007)). La temperatura de liquidus se midio mediante la exposicion del vidrio a un gradiente de temperatura en un bote de aleacion de platino durante 16 horas (ASTM C829-81 (2005)). La densidad se midio mediante el metodo de Arqmmedes (ASTM C693-93(2008)). Para fabricar fibras de vidrio para probar el modulo y la resistencia, se anadio un trozo de una composicion de vidrio a una boquilla de resistencia electrica y se saco de una punta unica de la parte inferior de la boquilla. Las fibras se enrollaron sobre un tambor giratorio, pero se recogieron muestras para pruebas de la fibra entre la punta de la boquilla y la bobinadora. Estos fragmentos de fibra, de aproximadamente 2 metros de longitud, se colocan en horquillas o placas de muestra en las que el fragmento a probar no entra en contacto con nada mas que la atmosfera ambiente. Entonces, las fibras se montan y se prueban usando el equipo apropiado. El modulo se mide indirectamente midiendo la velocidad del sonido en una fibra con densidad conocida. Espedficamente, el modulo indicado en las tablas a continuacion es un promedio de mediciones de 5 fibras de vidrio individuales de acuerdo con el procedimiento descrito en el informe "Glass Fiber and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory", numero de informe NOLTR 65-87, 23 de junio de 1965. La resistencia se midio en fibras pnstinas usando un aparato de prueba de traccion Instron de acuerdo con el ASTM D2343-09. El modulo espedfico se calculo dividiendo el modulo medido en unidades de GPa por la densidad en unidades de kg/m3. La resistencia espedfica se calculo dividiendo la resistencia medida en unidades de MPa por la densidad en unidades de kg/m3.

TABLA 6

Qufmico: Ej. 1 (% en peso) Ej. 2 (% en peso) Ej. 3 (% en peso) Ej. 4 (% en peso) Ej. 5 (% en peso) Ej. 6 (% en peso) Ej. 7 (% en peso)

SiO2: 72,84 70,60 73,50 73,55 73,18 73,03 73,03

Al2O3: 12,11 12,78 10,00 12,78 12,43 12,30 12,30

MgO: 12,24 12,95 12,90 10,00 12,58 12,43 12,43

CaO: 1,32 1,70 1,68 1,70 0,10 1,42 1,42

Li2O: 0,75 0,98 0,97 0,98 0,86 0,00 0,81

Na2O: 0,75 0,98 0,97 0,98 0,86 0,81 0,00

Propiedad

Viscosidad de formacion (°C): 1.468 1.413 1.442 1.498 1.335 1.499 1.472

Temperatura de liquidus (°C): 1.406 1.347 1.397 1.359 1.393 1.469 1.456

Densidad (g/cc): 2,444 2,469 2,449 2,426 2,433 2,444 2,444

Modulo (Gpa): 85,4 86,4 84,8 83,8 85,3 84,2 84,9

Resistencia (Mpa): 4.994 4.870 4.872 5.032 5.005 4.896 5.070

Modulo espedfico (X 107 J/kg): 3,49 3,50 3,46 3,46 3,51 3,45 3,47

Resistencia especifica (X 106 J/kg): 2,04 1,97 1,99 2,07 2,06 2,00 2,07

TABLA 7

Qdmico: Ej. 8 (% en peso) Ej. 9 (% en peso) Ej. 10 (% en peso) Ej. 11 (% en peso) Ej. 12 (% en peso) Ej. 13 (% en peso)

SiO2: 77,56 70,85 70,60 71,82 72,25 72,25

Al2O3: 10,00 18,50 10,68 11,15 11,56 11,56

MgO: 10,00 10,25 15,62 11,22 11,65 11,65

CaO: 0,10 0,24 0,10 5,00 1,00 1,00

Li2O: 2,34 0,08 3,00 0,41 3,00 0,55

Na2O: 0,00 0,08 0,00 0,41 0,55 3,00

Propiedad

Viscosidad de formacion (°C): 1.293 1.525 1.497 1.427 1.268 1.448

Temperatura de liquidus (°C): 1.299 1.455 1.408 1.446 1.323 1.367

Densidad (g/cc): 2,385 2,441 2,472 2,475 2,480 2,438

Modulo (Gpa): 83,6 86,8 84,8 84,7 87,4 82,8

Resistencia (Mpa): 4.847 5.232 4.647,1 4.847 4.590 4.802

Modulo especifico (X 107 J/kg): 3,51 3,56 3,43 3,42 3,52 3,40

Resistencia especifica (X 106 J/kg): 2,03 2,14 1,88 1,96 1,85 1,97

Al mirar las Tablas 6 y 7 se puede concluir que las composiciones de vidrio de los Ejemplos 1-13 tienen 5 temperaturas de viscosidad de formacion que son aplicables para uso en hornos de fusion refractarios. Los valores del modulo espedfico para los vidrios en algunos casos exceden el vidrio R comercial. Ademas, se ha decidido que estos vidrios son particularmente apropiados para aplicaciones que requieren tanto resistencia como rigidez para para igualar o superar el vidrio R (por ejemplo, palas de aerogenerador). Ademas, la densidad de algunos de los vidrios mostrados en las Tablas 6 y 7 es extremadamente baja, lo que permite que estos vidrios se empleen en 10 aplicaciones aeroespaciales.

La invencion de esta solicitud se ha descrito con anterioridad tanto genericamente como con respecto a realizaciones espedficas. Aunque la invencion se haya expuesto en lo que se cree que son las realizaciones preferidas, se puede seleccionar una amplia variedad de alternativas conocidas para los expertos en la materia 15 dentro de la divulgacion generica. La invencion no esta, por lo demas, limitada, excepto por la relacion de reivindicaciones expuesta a continuacion.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Una composicion para preparar fibras de vidrio de alta resistencia que comprende:

SiO2 en una cantidad de 70,6 a 79,6 % en peso del total de la composicion;

AI2O3 en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso del total de la composicion;

MgO en una cantidad de 10,0 a 19,0 % en peso del total de la composicion;

CaO en una cantidad de 0,1 a 5,0 % en peso del total de la composicion;

Li2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso del total de la composicion; y Na2O en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso del total de la composicion.
2. La composicion de la reivindicacion 1 donde

SiO2 esta presente en una cantidad de 70,6 a 73,55 % en peso del total de la composicion;

Al2O3 esta presente en una cantidad de 10,68 a 18,5 % en peso del total de la composicion;

MgO esta presente en una cantidad de 10,0 a 15,62 % en peso del total de la composicion;

CaO esta presente en una cantidad de 0,1 a 1,7 % en peso del total de la composicion;

Li2O esta presente en una cantidad de 0,08 a 3,0 % en peso del total de la composicion; y Na2O esta presente en una cantidad de 0,0 a 3,0 % en peso del total de la composicion.
3. La composicion de la reivindicacion 1 donde

SiO2 esta presente en una cantidad de 70,6 a 73,0 % en peso del total de la composicion;

Al2O3 esta presente en una cantidad de 16,0 a 18,5 % en peso del total de la composicion;

MgO esta presente en una cantidad de 10,0 a 13,0 % en peso del total de la composicion;

CaO esta presente en una cantidad de 0,1 a 2,0 % en peso del total de la composicion;

Li2O esta presente en una cantidad de 0,0 a 2,0 % en peso del total de la composicion; y Na2O esta presente en una cantidad de 0,0 a 2,0 % en peso del total de la composicion.
4. La composicion de la reivindicacion 1 donde

SiO2 esta presente en una cantidad de 70,85 a 77,56 % en peso del total de la composicion;

Al2O3 esta presente en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso del total de la composicion;

MgO esta presente en una cantidad de 10,0 a 12,58 % en peso del total de la composicion;

CaO esta presente en una cantidad de 0,1 a 1,7 % en peso del total de la composicion;

Li2O esta presente en una cantidad de 0,0 a 2,34 % en peso del total de la composicion; y Na2O esta presente en una cantidad de 0,0 a 0,98 % en peso del total de la composicion.
5. La composicion de la reivindicacion 1 donde

SiO2 esta presente en una cantidad de 70,6 a 77,56 % en peso del total de la composicion;

Al2O3 esta presente en una cantidad de 10,0 a 18,5 % en peso del total de la composicion;

MgO esta presente en una cantidad de 10,0 a 12,95 % en peso del total de la composicion;

CaO esta presente en una cantidad de 0,1 a 1,7 % en peso del total de la composicion;

Li2O esta presente en una cantidad de 0,08 a 3,0 % en peso del total de la composicion; y Na2O esta presente en una cantidad de 0,0 a 0,98 % en peso del total de la composicion.
6. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha composicion esta substancialmente libre de B2O3 y fluor.
7. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha composicion tiene una AT de hasta 139 o 210 °C.
8. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha composicion tiene una temperatura log 3 de menos de 1.525 o 1.530 °C o desde 1.268 °C a 1.525 o 1.530 °C.
9. La composicion de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha composicion tiene una temperatura de liquidus no mayor que 1.470 °C.
10. Una fibra de vidrio de alta resistencia producida a partir de la composicion de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
11. La fibra de vidrio de la reivindicacion 10, donde dicha fibra de vidrio tiene un modulo espedfico de 3,40 X 107 J/kg a 3,6 X 107 J/kg y una resistencia espedfica de 1,7 X 106 J/kg a 2,0 o 2,14 X 106 J/kg.
12. La fibra de vidrio de la reivindicacion 10 o la reivindicacion 11, donde dicha fibra de vidrio tiene un modulo espedfico de 3,40 X 107 J/kg a 3,56 X 107 J/kg y una resistencia espedfica de 1,85 X 106 J/kg a 2,14 X 106 J/kg.
13. La fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, donde dicha fibra de vidrio tiene una resistencia a la traccion de la fibra pnstina de 4.150 a 4.960 o 5.233 MPa, un modulo de 80 a 88 GPa y una

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densidad de 2,37 a 2,51 g/cc.
14. La fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, donde dicha fibra de vidrio tiene una resistencia a la traccion de la fibra pnstina de 4.590 a 5.230, un modulo de 82,8 a 87,4 GPa y una densidad de 2,39 a 2,48 g/cc.
15. Un metodo de formacion de una fibra de vidrio de alto rendimiento que comprende:

proporcionar una composicion de vidrio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9; fundir la composicion de vidrio y

pasar dicha composicion de vidrio fundido a traves de los orificios en una boquilla para formar una fibra de vidrio continua.
16. El metodo de la reivindicacion 15, donde la fibra de vidrio es una fibra de vidrio de alta resistencia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14.
17. Un producto compuesto reforzado que comprende: una matriz polimerica y

una pluralidad de fibras de vidrio, produciendose dichas fibras de vidrio a partir de una composicion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 o siendo fibras de vidrio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14.
18. El producto compuesto de la reivindicacion 17, donde dicha matriz polimerica es un polfmero termoplastico seleccionado entre poliesteres, polipropileno, poliamida, tereftalato de polietileno, polibutileno y combinaciones de los mismos.
19. El producto compuesto de la reivindicacion 17, donde dicha matriz polimerica es un polfmero termoestable seleccionado entre resinas epoxi, poliesteres insaturados, fenolicos, vinilesteres y combinaciones de los mismos.
20. El producto compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 en forma de una pala de aerogenerador.