BRPI0618123A2 - composição para a fabricação de vidro de alto desempenho, fibras de vidro de alto desempenho e artigos formados com a mesma - Google Patents
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Abstract
<b>COMPOSIçãO PARA A FABRICAçãO DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO, FIBRAS DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO E ARTIGOS FORMADOS COM A MESMA<d> São apresentadas composições de bateladas de vidro para a formação de fibras de vidro de alta resistência, módulo elevado, assim como fibras adequadas para uso como têxteis e reforços. As fibras formadas da composição são especialmente adequadas para uso em aplicações de alta resistência e baixo peso, tais como pás para moinhos de vento e aplicações de resistência e módulo elevados, onde são requeridas no composto resistência e rigidez. A composição de vidro tem até cerca de 70,5% em peso de Si0~ 2~, 24,5% em peso de Al~ 2~O~ 3~, 22% em peso de óxidos alcalino terrosos e poderá incluir pequenas quantidades de óxidos alcalino metálicos e ZrO~ 2~. São também apresentados artigos compostos reforçados com fibra de vidro, tais como pás para moinhos de vento.
Description
"COMPOSIÇÃO PARA A FABRICAÇÃO DE VIDRO DE ALTODESEMPENHO, FIBRAS DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO E ARTIGOSFORMADOS COM A MESMA"
CAMPO TÉCNICO E APLICABILIDADE INDUSTRIAL DA IN-VENÇÃO
A invenção atual é geralmente direcionada para umacomposição para a fabricação de fibras de vidro continuaspara uso em aplicações de alta resistência assim como fibrasde vidro e artigos com alta resistência.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A composição de vidro mais comum para a produçãode segmentos de fibra de vidro é a "E-Glass". A temperaturado "liquidus" da E-Glass é de aproximadamente 2.100 ° F(114 9 ° C) ou menor. Uma vantagem da E-Glass é que a suatemperatura do "liquidus" permite temperaturas de operaçãopara a produção de fibras de vidro que são de aproximadamen-te 1900 ° F a 2400 ° F (1038 ° C a 1316 ° C). A classifica-ção ASTM para os fios de fibra de vidro de E-Glass utiliza-dos em placas de circuitos impressos e aplicações aeroespa-ciais define a composição como sendo de 52 a 56% em peso deSiO2,16 a 25% em peso de CaO, 12 a 16% em peso de AI2O3, 5 a10% em peso de B2O3, 0 a 5% em peso de MgO, 0 a 2% em pesode Na2O e K2O, 0 a 0,8% em peso de TiO2, 0,05 a 0,4% em pesode Fe2O3 e 0 a 1,0% em peso de flúor.
As fibras isentas de boro são vendidas com a marcacomercial ADVANTEX (Owens Corning, Toledo, Ohio, USA) . Asfibras isentas de boro, tais como aquelas apresentadas napatente americana de número 5.789.329 incorporada aqui comoreferência na sua integridade, oferecem uma melhora signifi-cativa nas temperaturas de operação em relação ao E-Glasscontendo boro. As fibras de vidro isentas de boro se enqua-dram na definição ASTM para fibras de E-Glass para uso emaplicações de uso geral.
S-Glass é uma família de fibras de vidro compostaprincipalmente de óxidos de magnésio, alumínio e silício,com uma composição química que produz fibras de vidro tendouma resistência mecânica maior do que as fibras de vidro deE-Glass. A composição para a formação de S-Glass incluí a-proximadamente 65% em peso de SiO2, 25% em peso de Al2O3, e10% em peso de MgO. A S-Glass tem uma composição que foi o-riginalmente projetada para ser utilizada em aplicações dealta resistência, tais como armas balísticas.A R-Glass é uma família de fibras de vidro que são
compostas principalmente de óxidos de silício, alumínio,magnésio e cálcio, com uma composição química que produz fi-bras de vidro com uma resistência mecânica maior do que asfibras de E-Glass. A R-Glass tem uma composição que contémaproximadamente 58 - 60% em peso de SiO2, 23, 5 - 25, 5% empeso de Al2O3, 14 - 17% em peso de CaO mais MgO, 0% de B2O3,0% de F2 e menos de 2% em peso de componentes de miscelânea.A R-Glass contém mais alumina e sílica do que a E-Glass erequer temperaturas de fusão e de processamento mais eleva-das durante a formação da fibra. Tipicamente, as temperatu-ras de fusão e de processamento para a R-Glass são pelo me-nos 160 ° C maiores do que para a E-Glass. Este aumento natemperatura de processamento requer o uso de um forno de fu-são revestido com platina, de custo elevado. Além disso, asproximidade estreita da temperatura do "liquidus" com atemperatura de formação na R-Glass requer que o vidro sejatransformado em fibra em uma viscosidade menor do que a E-Glass, que costumeiramente é transformada em fibra com oupróximo de 1000 poise. A formação de fibras de R-Glass naviscosidade costumeira de 1000 poise provavelmente resulta-ria em uma desvitrificação do vidro, que causa interrupçõesdo processo e uma produtividade reduzida.
As tabelas IA-IE apresentam as composições parauma quantidade de composições de fibra de vidro convencio-nais de alta resistência.
Tabela I-A
<table>table see original document page 4</column></row><table><table>table see original document page 5</column></row><table>
Tabela I-B
<table>table see original document page 5</column></row><table>
Tabela I-C
<table>table see original document page 5</column></row><table><table>table see original document page 6</column></row><table>
Tabela I-D
<table>table see original document page 6</column></row><table><table>table see original document page 7</column></row><table>
Tabela I-E
<table>table see original document page 7</column></row><table>R-Glass e S-Glass são produzidas fundido-se osconstituintes das composições em um recipiente de fusão re-vestido com platina. Os custos de formação de fibras de R-Glass e S-Glass são dramaticamente mais elevados do que asfibras E-Glass, devido ao custo de produção das fibras emtais fornos de fusão. Assim sendo, existe uma necessidade naarte por métodos de formação de composições de vidro úteisna formação de fibras de vidro de alto desempenho a partirde um processo de fusão direta em um forno refratário reves-tido e as fibras formadas pelo método.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A invenção, em parte, é uma composição de vidropara a formação de fibras de vidro continuas que são adequa-das para uso em aplicações de alta resistência. A composiçãoda invenção atual poderá ser formada de forma não dispendio-sa como fibras de vidro utilizando-se a fusão direta emfornos refratários revestidos de baixo custo, devido à tem-peratura de formação relativamente baixa das fibras de vi-dro. Tão logo seja transformada em fibras, a composição devidro produz as características de resistência das fibras devidro de preço mais elevado, tais como a S-Glass. A composi-ção da invenção atual inclui cerca de 60,5 a cerca de 70,5%em peso de SÍO2, cerca de 10,0 a cerca de 24,5% em peso deAI2O3, cerca de 6,0 a cerca de 20,0% em peso de RO, onde ROé igual à soma de MgO, CaO, SrO e BaO, e cerca de 0,0 a cer-ca de 3,0% em peso de óxidos alcalino metálicos. Em uma rea-lização preferida, a composição de vidro é composta de cercade 61 a cerca de 68% em peso de S1O2, cerca de 15 a cerca de19% em peso de Al2O3, cerca de 15 a cerca de 20% em peso deRO, onde RO é igual à soma de MgO, CaO, SrO e BaO, e cercade 0 a cerca de 3% em peso de óxidos alcalino metálicos. Acomposição, de preferência, não contém mais do que cerca de4% em peso de óxidos ou halogenos escolhidos do grupo con-sistindo de ZnO, SO3, flúor, B2O3, TiO2, ZrO2 e Fe2O3. As pro-priedades desejadas das fibras compostas de alto desempenhofabricadas pela invenção atual incluem uma temperatura deformação de fibras menor do que cerca de 2650 0 F (1454 0 C)e uma temperatura de "liquidus" que, de preferência, estáabaixo da temperatura de formação de fibras, pelo menos emcerca de 80 0 F (44 0 C) , mais de preferência, pelo menoscerca de 120 0 F (67 0 C), e mais de preferência, pelo menoscerca de 150 0 F (83 °C).
DESCRIÇÃO DETALHADA E REALIZAÇÕES PREFERIDAS DAINVENÇÃO
As propriedades de formação de fibras da composi-ção de vidro utilizada para formar as fibras de vidro utili-zadas no método da invenção atual incluem a temperatura deformação de fibras, o "liquidus", e o delta-T. A temperaturade formação de fibra é definida como a temperatura que cor-responde a uma viscòsidade em torno de 1000 Poise. Conformediscutido em mais detalhes abaixo, uma temperatura de forma-ção de fibras reduzida reduz o custo de produção das fibras,permite uma vida mais longa do revestimento de alimentaçãodo vidro, aumenta a produção, permite que o vidro seja fun-dido em um forno refratário revestido, e reduz a utilizaçãode energia. Por exemplo, em uma temperatura menor de forma-ção de fibras, o revestimento de alimentação de vidro operaem uma temperatura mais fria e não "amolece" tão rapidamen-te. 0 amolecimento é um fenômeno que ocorre em revestimentosde alimentação de vidro que são mantidos em temperaturas e-levadas durante períodos prolongados de tempo. Reduzindo-sea temperatura de formação de fibras, a velocidade de amole-cimento do revestimento da alimentação de vidro poderá serreduzida e a vida do revestimento pode ser aumentada. Alémdisso, uma temperatura de formação de fibra menor permiteuma produção mais elevada, porque mais vidro pode ser fundi-do em um determinado período com uma determinada utilizaçãode energia. Como resultado, o custo de produção é reduzido.Além disso, uma temperatura de formação de fibras menor tam-bém permitirá que o vidro formado com a composição da inven-ção seja fundido em um forno refratário revestido, porquetanto a temperatura de fusão como a de formação das fibrasestão abaixo das temperaturas mais elevadas de utilização devários refratários disponíveis comercialmente.
O "liquidus" é definido como a temperatura maiselevada na qual existe equilíbrio entre o vidro líquido e asua fase cristalina primária. Em todas as temperaturas acimado "liquidus", o vidro é isento de cristais na sua fase pri-mária. Em temperaturas abaixo do "liquidus", poderão serformados cristais.Outra propriedade de formação de fibras é o delta-
T (ΔΤ), que é definido como a diferença entre a temperaturada formação das fibras e o "liquidus". Um delta-T maior ofe-rece um grau maior de flexibilidade durante a formação dasfibras de vidro e ajuda a inibir a desvitrificação do vidro(isto é, a formação de cristais dentro do fundido) durante afusão e a formação das fibras. O aumento do delta-T tambémreduz o custo de produção das fibras de vidro, permitindouma vida maior do revestimento de alimentação de vidro efornecendo uma janela de processo mais ampla para a formaçãodas fibras.
Os vidros da invenção atual são adequados para fu-são em fornos de fusão de vidro refratários revestidos tra-dicionais, disponíveis comercialmente, que são largamenteutilizados na fabricação de fibras de reforço de vidro. Oscomponentes iniciais da batelada tipicamente incluem SiO2(areia moída de silica), e AI2O3 (alumina calcinada), assimcomo modificadores de cadeia de materiais de fonte, tais co-mo MgCO3 (magnetita), CaCO3 (calcário), SrCO3 (estrontiani-ta), BaCO3 (viterita), ZrSiO4 (zircônio), e Na2CO3 (natrita).
A batelada de vidro, de preferência, é composta decerca de 60,5 a cerca de 70,5% em peso de SiO2, cerca de10,0 a cerca de 24,5% em peso de Al2O3, cerca de 6,0 a cercade 20,0% em peso de RO, onde RO é igual à soma de MgO, CaO,e SrO, e cerca de 0,0 a cerca de 3,0% em peso de óxidos al-calino metálicos. Uma fibra formada de acordo com a invençãoatual tipicamente incluirá pequenas quantidades de ZnO, SO3,flúor, B2O3, TiO2 e Fe2O3, de preferência, em uma quantidadede menos de cerca de 4% em peso. Além disso, uma fibra for-mada de acordo com a invenção atual, de preferência, teráuma temperatura de formação de fibras menor do que cerca de2650 0 F (1454 °C), um delta-T de pelo menos cerca de 80 0F (44 °C), de preferência, um delta-T de pelo menos cercade 120 ° F (67 °C), e mais de preferência, um delta-T depelo menos cerca de 150 ° F (83 °C), e um coeficiente deexpansão térmica (CTE) de cerca de 2,28 χ 10~6 pol/pol/° F acerca de 2,77 χ 10"6 pol/pol/° F. Além disso, o vidro da in-venção atual, de preferência tem uma resistência acima decerca de 600 KPSI, de preferência, uma resistência acima decerca de 630 KPSI, e mais de preferência, uma resistênciaacima de cerca de 695 KPSI. Além disso, as fibras de vidro,desejavelmente, terão um módulo maior do que cerca de 12,0MPSI, de preferência, maior do que cerca de 12,18 MPSI, emais de preferência, maior do que cerca de 12,6 MPSI. Serávisto que certos detalhes de construção não são apresenta-dos, porque tais detalhes são convencionais e estão bem den-tro do conhecimento da arte.
A invenção atual também inclui um material compos-to incluindo fibras de vidro, conforme descrito acima, emcombinação com um material de matriz endurecivel. O materialcomposto é especialmente útil em aplicações onde são deseja-dos resistência e rigidez elevados e baixo peso. Tais apli-cações incluem aviões, automóveis e energia eólica (como Ia-minas para moinhos de vento), assim como qualquer outra a-plicação onde são desejados um peso baixo e rigidez e altaresistência. Materiais endureciveis adequados incluem as re-sinas termoplásticas e termo-curadas. Para fins de exemplo,os materiais de matriz termo-curada incluem ésteres viníli-cos, poliésteres, resinas epóxi e combinações ou copolimerosdos mesmos. Tipicamente, as pás de moinhos de vento são for-madas por qualquer técnica adequada de fabricação de compos-tos, tais como infusão de resina auxiliada por vácuo ou re-vestimento de reforço pré-impregnado.
Tendo esta invenção sido descrita de uma formageral, um entendimento adicional pode ser obtido através dereferência a certos exemplos específicos ilustrados abaixo,os quais são apresentados para fins de ilustração somente enão se destinam a ser. todos incluídos oü limitantes, a nãoser que seja especificado de outra forma.
EXEMPLOS
Os vidros nos exemplos listados nas tabelas IIA -IIC foram fundidos em cadinhos de platina ou em um forno defusão contínua revestido com platina, para a determinaçãodas propriedades mecânicas e físicas do vidro e das fibrasproduzidas a partir do mesmo. As unidades de medição para aspropriedades físicas são: viscosidade (°F) , temperatura do"liquidus" (°F) e Δ T (°F). Em alguns exemplos, os vidrosforam transformados em fibras e foram medidos a resistência(KPsi), densidade (g/cm3), módulo (MPsi), ponto de amacia-mento (°F) e coeficiente de expansão térmica (CTE) (polega-da/polegada/(°F) .
A temperatura de produção de fibras foi medida u-tilizando-se um viscosímetro rotativo de fuso. A viscosidadede formação de fibras é definida como sendo de 1000 Poise. O"liquidus" foi medido colocando-se um recipiente de platinacheio com vidro em um forno de gradiente térmico durante16h. A temperatura mais elevada na qual os cristais estãopresentes foi considerada a temperatura do "liquidus". 0 mó-dulo foi medido utilizando-se a técnica sônica em uma únicafibra de vidro. A resistência à tração foi medida em uma Cí-nica fibra de pristina. O CTE foi medido com um dilatômetroao longo da faixa de temperatura de 25 a 600 ºC. A tempera-tura de ponto de amaciamento foi medida utilizando-se o mé-todo de alongamento de fibras ASTM C 338.
Tabela IIA
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Tabela IIB
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Tabela IIC
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Conforme é entendido na arte, as composições deexemplo da invenção nem sempre totalizam 100% dos compostoslistados, devido às convenções estatísticas (tais como apro-ximações e médias) e o fato de que algumas composições pode-rão incluir impurezas que não estão listadas. É claro que asquantidades reais de todos os componentes, incluindo quais-quer impurezas, em uma composição, constituem sempre um to-tal de 100%. Além disso, deve ser entendido que onde são es-pecificadas pequenas quantidades de componentes nas composi-ções, por exemplo, quantidades da ordem de cerca de 0,05% oumenos, aqueles componentes poderão estar presentes na formade traços de impurezas presentes nas matérias-primas, ao in-vés de serem adicionados intencionalmente.
Adicionalmente, os componentes poderão ser adicio-nados na composição de batelada, por exemplo, para facilitaro processamento, que são eliminados mais tarde, dessa formaformando uma composição de vidro que é essencialmente isentade tais componentes. Assim sendo, por exemplo, quantidadesmínimas de componentes, tais como flúor e sulfato, poderãoestar presentes como impurezas de traços nas matérias pri-mas, produzindo os componentes de sílica, cálcio, alumina, emagnésia na prática comercial da invenção, ou eles poderãoser auxiliares de processamento que são essencialmente remo-vidos durante a fabricação.
Conforme fica aparente dos exemplos acima, as com-posições de fibra de vidro da invenção têm propriedades van-tajosas, tais como temperaturas baixas de formação de fibrase largas diferenças entre as temperaturas do "liquidus" eas temperaturas de formação de fibras (valores de delta-Televados). Outras vantagens e modificações óbvias da inven-ção ficarão aparentes para o artesão a partir da descriçãoacima, e além disso, através da prática da invenção. O vidrode alto desempenho da invenção atual é fundido e refinado emtemperaturas relativamente baixas, tem uma viscosidade detrabalho ao longo de uma larga faixa de temperaturas relati-vamente baixas e uma faixa de temperatura do "liquidus" baixa.
A invenção desta solicitação foi descrita acima,tanto genericamente como com relação a realizações especi-ficas. Apesar da invenção ter sido apresentada no que se a-credita serem as realizações preferidas, uma larga faixa dealternativas conhecidas por aqueles adestrados na arte podeser escolhida dentro da apresentação genérica. Outras vanta-gens e modificações óbvias da invenção ficarão aparentes pa-ra o artesão, a partir da descrição acima, e além disso a-través da prática da invenção. A invenção não é portanto li-mitada, exceto pelo conteúdo das reivindicações apresentadasabaixo.
Claims (20)
1. Composição de batelada para a formação de fi-bras de vidro, CARACTERIZADA pelo fato de ser composta de:- 60,5 a 70,5% em peso de SiO2;- 10 a 24,5% em peso de Al2O3;- 6,0 a 20,0% em peso de RO, onde RO é igual à somade MgO, CaO, SrO e BaO na composição de batelada; e- 0 a 3% em peso de óxidos alcalino metálicos;
2. Composição de batelada, de acordo com a reivin-dicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de ser composta de:menos de 4% em peso dos compostos escolhidos dogrupo consistindo de ZnO, SO3, flúor, B2O3, TiO2 e Fe2O3.
3. Composição de batelada, de acordo com a reivin-dicação 1, CARACTERIZADA pelo fato do vidro produzido a par-tir da referida batelada ter temperaturas de formação de fi-bras menores do que 2650 0 F (1454 °C), e um delta-T de pe-lo menos 80 °F (44 °C).
4. Composição de batelada, de acordo com a reivin-dicação 3, CARACTERIZADA pelo fato do vidro produzido a par-tir da referida batelada ter um delta-T de pelo menos 120 °F (67 °C).
5. Composição de batelada, de acordo com a reivin-dicação 3, CARACTERIZADA pelo fato do vidro produzido a par-tir da referida batelada ter um delta-T de pelo menos 150F (83 °C).
6. Composição de batelada, de acordo com a reivin-dicação 1, CARACTERIZADA pelo fato do vidro produzido a par-tir da referida batelada ter um ponto de amolecimento de pe-lo menos 1765 °F (963 °C).
7. Fibra de vidro formada a partir de uma composi-ção de batelada, CARACTERIZADA pelo fato de ser composta de:-60,5 a 70,5% em peso de SiO2;-10 a 24,5% em peso de Al2O3;-15 a 20% em peso de oxido alcalino terroso;-0 a 3 % em peso de ZrO2; e-0 a 3% em peso de óxido alcalino metálico.
8. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato do referido vidro ter uma tempe-ratura de formação de fibras menor do que 2650 °F (1454 °C), e um delta-T de pelo menos 80 °F (44 °C).
9. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-8, CARACTERIZADA pelo fato do delta-T para o vidro ser depelo menos 120 ° F (67 °C).
10. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-8, CARACTERIZADA pelo fato do delta-T para o vidro ser depelo menos 150 ° F (83 °C).
11. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter um coefici-ente de expansão térmica (CTE) entre 2,28 χ 10~6 pol/pol/°F e 2,77 χ 10~6 pol/pol/ °F.
12. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter uma resis-tência acima de 600 KPSI.
13. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter uma resis-tência acima de 630 KPSI.
14. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter uma resis-tência acima de 695 KPSI.
15. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter um móduloacima de 12,0 MPSI
16. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter um móduloacima de 12,2 MPSI
17. Fibra de vidro, de acordo com a reivindicação-7, CARACTERIZADA pelo fato da referida fibra ter um móduloacima de 12,6 MPSI.
18. Artigo reforçado com fibra de vidro,CARACTERIZADO pelo fato de ser composto de fibras de vidroque são compostas de:-60,5 a 70,5% em peso de SiO2;a 24,5% em peso de Al2O3;-6,0' a 20,0 % em peso de RO, onde RO é igual à somade MgO, Cao, SrO e BaO;-0 a 3% em peso de óxidos alcalino metálicos; e-0 a 3 % em peso de ZrO2; eum material de matriz curável.
19. Artigo reforçado com fibra de vidro, de acordocom a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato do referidoartigo reforçado ser uma pá para uma turbina de vento.
20. Artigo reforçado com fibra de vidro, de acordocom a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato do referidomaterial de matriz curável ser escolhido do grupo consistin-do de éster vinílico, poliéster, resina epóxi e combinaçõese copolimeros dos mesmos.
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