BRPI0716565A2 - Lã mineral e utilização de lãs minerais - Google Patents

Description

"LÃ MINERAL E UTILIZAÇÃO DE LÃS MINERAIS"

A presente invenção se refere ao domínio das lãs minerais que apresentam uma grande velocidade de dissolução em meio fisiológico. Ela se refere mais especialmente a novas composições de vidro próprias para formar lãs de vidro para o isolamento térmico e/ou acústico ou para substratos de cultura fora do solo.

Uma lã mineral (lã de vidro ou de rocha) é caracterizada por um emaranhamento de fibras descontínuas, o que a distingue de fibras contínuas geralmente destinadas ao reforço de matérias orgânicas ou inorgânicas (por exemplo o cimento). Essa estrutura especial, que está na origem dos desempenhos isolantes, pode ser obtida por diferentes processos de formação de fibras, tais como os processos de centrifugação interna (que recorre a centrifugadoras ("pratos") que giram em grande velocidade e que são perfurados de orifícios) ou externa (com o auxílio de rotores cheios que giram em grande velocidade e na superfície externa dos quais o vidro fundido é projetado), ou os processo de atenuação por um gás quente ou por uma chama.

As fibras de lãs minerais são suscetíveis, quando certos critérios geométricos em termo de diâmetro e/ou comprimento são respeitados, de se introduzir por inalação no organismo e notadamente nos pulmões, às vezes até os alvéolos pulmonares. Para evitar qualquer risco patogênico ligado a uma eventual acumulação de fibras no organismo, revelou-se necessário ter o cuidado para que as fibras apresentem uma baixa "biopersistência", quer dizer possam ser facilmente e rapidamente eliminadas do organismo. A composição química das fibras é um parâmetro maior que influencia essa capacidade de ser eliminadas rapidamente do organismo, pois ela desempenha um papel considerável na velocidade de dissolução das fibras em meio fisiológico. Fibras minerais que apresentam grandes velocidades de dissolução em meio fisiológico ("biossolúveis") foram portanto formuladas e descritas na arte anterior. A principal dificuldade consiste no entanto em aumentar a velocidade de dissolução das fibras em meio fisiológico ao mesmo tempo em que se conserva uma viabilidade industrial, e notadamente uma boa aptidão para ser transformadas em fibras, assim como as boas propriedades de uso do produto acabado. Entre as propriedades que influenciam a viabilidade industrial figuram em primeiro plano a viscosidade e as propriedades de desvitrificação (temperatura de líquidos e velocidades de cristalização). As propriedades de uso mais importantes são a resistência mecânica (principalmente o módulo de Young ou módulo elástico e a tenacidade), a resistência às temperaturas elevadas e a resistência à umidade ou resistência hidrolítica. Esse último ponto é especialmente crucial e delicado, pois os dois critérios de resistência hidrolítica e de biossolubilidade são em numerosos aspectos contraditórios visto que eles se referem ambos à capacidade para se dissolver em um meio majoritariamente aquoso.

As composições de lãs de vidro contêm habitualmente óxido de boro em teores da ordem de 4 a 6%. O óxido de boro é de fato um elemento favorável a um grande número de propriedades das lãs minerais. Em especial, ele aumenta consideravelmente a biossolubilidade das fibras, permite melhorar as propriedades de fusão do vidro e de formação de fibras por sua ação de diminuição da viscosidade em alta temperatura e da temperatura no líquido, assim como as propriedades de isolamento térmico das lãs minerais diminuindo para isso a componente radiativa da condutividade térmica das fibras.

O óxido de boro não é entretanto desprovido de inconvenientes, em especial devido a sua volatilidade grande e a seu custo elevado. Quando o vidro a transformar em fibras é fundido em um forno de chamas, os espalhamentos de boro são tais que é necessário prever instalações de despoluição das fumaças. Por outro lado, revelou-se que em um forno munido de recuperadores ou regeneradores de calor constituídos por empilhamentos de peças feitas de cerâmicas refratárias, os espalhamentos de boro corroíam essas peças feitas de cerâmicas, necessitando uma substituição mais freqüente.

A invenção tem portanto como objetivo propor novas

composições de vidro que podem ser fundidas em forno de chamas sem necessitar de instalações de despoluição das fumaças e sem ocasionar uma diminuição da duração de vida dos recuperadores ou regeneradores de calor, as ditas composições sendo no entanto próprias para formar lãs minerais que apresentam grandes velocidades de dissolução em meio fisiológico e uma resistência hidrolítica satisfatória, assim como uma boa capacidade de ser transformadas em fibras.

A invenção tem como objeto lãs minerais das quais as fibras de vidro apresentam uma composição química substancialmente desprovida de óxido de boro e que compreendem os seguintes constituintes dentro dos limites definidos abaixo expressos em porcentagens ponderais:

SiO2 60 a 75

Al2O3 0 a 4

Na2O 17 a 22

CaO 5 a 15

Fe2O3 0 a 2

P2O5 0 a 3

Por "substancialmente desprovida de óxido de boro" no sentido da presente invenção, é preciso entender que as composições podem compreender pequenas quantidades de óxido de boro como impurezas. Pode se tratar em especial de impurezas trazidas por certas matérias primas tais como rejeitos fibrosos. De uma maneira geral, a composição das lãs minerais de acordo com a invenção contém menos de 0,5% de óxido de boro, de preferência menos de 0,3% e, de maneira ainda mais preferida, não contém óxido de boro em quantidades detectáveis pelas técnicas de análise correntemente empregadas no domínio das lãs minerais.

A sílica (SiO2) é um óxido formador de redes vítreas, e desempenha um papel essencial para sua estabilidade, tanto térmica quanto química. No âmbito dos limites definidos precedentemente, uma porcentagem em sílica inferior a 60% levaria a uma viscosidade muito baixa, uma capacidade muito grande de desvitrificar (quer dizer de cristalizar) durante a etapa de formação de fibras, e uma resistência hidrolítica diminuída. Ao contrário, um teor alto demais, superior a 75%, geraria uma viscosidade alta demais e em conseqüência disso dificuldades nos estágios da fusão e da formação de fibra dos vidros. 0 teor em sílica é também limitado pois esse óxido se revelou prejudicial à biossolubilidade. O teor em sílica é portanto vantajosamente superior ou igual a 62%, mesmo 63%, e mesmo 64% e/ou inferior ou igual a 68%, mesmo 67% e mesmo 66% ou 65%.

A alumina (Al2O3) desempenha um papel especialmente importante do âmbito da presente invenção. Como elemento formador de rede esse óxido desempenha um papel primordial na estabilidade térmica e na resistência mecânica. Considerando-se sua influência benéfica sobre a resistência hidrolítica e sua influência nefasta sobre a viscosidade do vidro e a biossolubilidade, seu teor é de preferência inferior ou igual a 3%, mesmo 2,5% ou mesmo 2% ou 1,5% e/ou superior ou igual a 0,5%.

A soma dos teores em sílica e em alumina (SiO2 + Al2O3) é vantajosamente limitada para assegurar uma boa resistência hidrolítica, um abaixa viscosidade e uma grande biossolubilidade. A soma SiO2 + Al2O3 é portanto de preferência inferior ou igual a 70%, mesmo 69% e mesmo 68% ou 67%, ou ainda 66%.

Os óxidos alcalinos, e em especial o óxido de sódio (Na2O) desempenham um papel de modiflcador da rede vítrea, quer dizer que eles se inserem na estrutura vítrea rompendo para isso certas ligações covalentes realizadas entre os elementos formadores da rede. Seu efeito na presente invenção é, do mesmo modo que a alumina, múltiplo. O óxido de sódio possui um papel de fluidifícante e permite portanto diminuir a viscosidade do vidro, facilitando a conformação, temperaturas de formação de fibras elevadas demais diminuindo drasticamente a duração de vida dos órgãos de formação de fibra. Por essa razão, o teor em óxido de sódio não deve ser inferior a 17%, e é vantajosamente superior ou igual a 17,5%, mesmo 18% ou 18,5% e mesmo 19%. Seu papel é no entanto negativo sobre a resistência hidrolítica, e seu teor deve portanto ser inferior ou igual a 22%, preferencialmente inferior ou igual a 21% e mesmo a 20%. Os vidros obtidos apresentam no entanto uma resistência hidrolítica conveniente, o que é especialmente surpreendente e inesperado levando-se em consideração seus teores muito altos em óxidos alcalinos, e especialmente em óxido de sódio. O óxido de potássio pode também ser introduzido na composição das lãs minerais de acordo com a invenção, a maior parte do tempo sob a forma de impurezas, geralmente em teores inferiores ou iguais a 2% em peso, e mesmo 1%.

Os óxidos alcalino-terrosos, principalmente CaO e MgO, desempenham também o papel de modificadores da rede vítrea. Sua presença é benéfica sobre as propriedades de biossolubilidade e de resistência hidrolítica (para essa última propriedade, em comparação com o óxido de sódio). O óxido de cálcio (CaO) permite diminuir vantajosamente a viscosidade do vidro em alta temperatura e portanto melhorar a fusão, mas altos teores levam a uma degradação da resistência à desvitrificação. O teor em CaO é portanto de preferência superior ou igual a 6%, mesmo 7% e mesmo 8% ou 8,5% e/ou inferior ou igual a 13%, mesmo 12% ou mesmo 11 %. O óxido de magnésio (MgO) pode ser adicionado, em um teor superior ou igual a 1%, e mesmo 2%. Considerando-se sua influência nefasta sobre a desvitrificação do vidro, o teor em MgO é de preferência inferior ou igual a 5%, mesmo 4% e mesmo 3%. A relação R definida pela relação entre o teor em Na2O e o teor em Cao (R = Na2CVCaO) é de preferência superior ou igual a 2, mesmo a 2,1 e mesmo 2,2. Foi de fato revelado aos inventores que essa relação influenciava bastante a temperatura em líquido favorecendo ou não a cristalização em devitrita mais do que em wollastonita. Uma relação R superior ou igual a 2 permite assim obter um vidro do qual a temperatura de líquido é baixa, notadamente menos de IOOO0C, e mesmo menos de 950°C. Esses vidros podem assim ser transformados em fibras em baixa temperatura, limitando o envelhecimento dos órgãos de formação de fibras e o custo energético.

O óxido de ferro (Fe2Oa) é limitado a um teor inferior ou igual a 3%, de preferência 2% e mesmo 1% devido a seu papel negativo na coloração do vidro, na faculdade do vidro de desvitrificar e na biossolubilidade das fibras. O óxido de ferro está de preferência presente sob a forma de impurezas unicamente, geralmente em teores inferiores ou iguais a 0,5%, e mesmo 0,2%.

O óxido de fósforo (P2O5) pode ser vantajosamente utilizado, notadamente devido a seu papel benéfico na biossolubilidade. Seu teor é no entanto vantajosamente limitado a 2%, e mesmo 1,5%. Considerando-se seu custo e sua influência negativa sobre a viscosidade do vidro, os vidros de acordo com a invenção não contêm de preferência óxido de fósforo, exceto inevitáveis vestígios que provêm das matérias primas.

A composição das lãs minerais de acordo com a invenção é de preferência tal que a grandeza "SiO2 + 2Α12θ3 - 2P205" é inferior ou igual a 68%, esses teores sendo nesse caso expressos em porcentagens molares. De preferência, "SiO2 + 2Α12θ3 - 2P205" é inferior ou igual a 66%. O respeito de um tal critério permite de fato otimizar as propriedades de biossolubilidade das fibras.

Óxidos alcalino-terrosos tais como BaO (óxido de bário), SrO (óxido de estrôncio), e/ou alcalinos tais como Li2O (óxido de lítio) podem ser voluntariamente incluídos nas fibras de acordo com a invenção, em especial, o óxido de estrôncio se revelou especialmente vantajoso em substituição de SiO2, Na2O e CaO para melhorar ao mesmo tempo a biossolubilidade das fibras e a resistência hidrolítica dos vidros. A composição das lãs minerais de acordo com a invenção contém portanto de preferência pelo menos 0,5%, mesmo 1%, e mesmo 2% ou 3% de SrO, o teor em SrO sendo de preferência limitado a 6% ou menos, mesmo 5% ou menos por razões de custo.

As fibras das lãs minerais de acordo com a invenção podem também conter outros óxidos diferentes daqueles precedentemente citados, em um teor mássico que não excede geralmente 3%, mesmo 2% e mesmo 1%. Entre esses óxidos figuram as impurezas comumente trazidas pelas matérias primas naturais ou artificiais (por exemplo o vidro reciclado, chamado vidro calcinado) utilizadas nesse tipo de indústria (entre as mais correntes figuram TiO2, MnO ...). Impurezas tais como ZrO2 também são correntemente trazidas pela dissolução parcial no vidro de elementos químicos que provêm dos materiais refratários que servem para a construção dos fornos. Certos vestígios provêm ainda dos compostos empregados para o refino do vidro: será citado em especial o óxido de enxofre SO3 muito correntemente empregado. Esses diversos óxidos, devido a seu baixo teor, não desempenham em todo o caso nenhum papel funcional especial que pode modificar a maneira pela qual as fibras de acordo com a invenção respondem ao problema posto.

As lãs minerais de acordo com a invenção são de preferência obtidas por um processo de centrifugação interna, quer dizer que recorre a centrifiigadoras ("pratos") que giram em grande velocidade e que são perfurados de orifícios.

Considerando-se restrições associadas a esse processo, é preferível que a temperatura de líquido dos vidros de acordo com a invenção, que fixa o limite de temperatura inferior ao qual é possível transformar o vidro em fibra, seja inferior a 1150°C, notadamente inferior a 1100°C, mesmo a 1050°C, e mesmo IOOO0C ou 950°C. Temperaturas mais elevadas implicariam de fato uma limitação inaceitável da duração de vida dos pratos de formação de fibras, e mesmo uma modificação dos materiais constitutivos dos ditos pratos. A fim de obter fibras de boa qualidade e de assegurar um bom funcionamento das instalações, a margem de conformação, quer dizer a diferença entre a temperatura na qual a viscosidade do vidro é de 1000 poises e a temperatura de líquido é de preferência superior ou igual a 0, e vantajosamente superior ou igual a IO0C, notadamente 25°C, mesmo a 50°C e mesmo a 100°C.

As lãs de vidro de acordo com a invenção apresentam de preferência valores de dissolução DGG (medição da resistência hidrolítica) inferiores ou iguais a 50 mg/g, notadamente inferiores ou iguais a 45 mg/g, mesmo 40 mg/g e mesmo 35 mg/g ou 30 mg/g. A obtenção de valores tão baixos é especialmente surpreendente considerando-se o teor elevado em Na2O.

A invenção tem ainda como objeto produtos de isolamento térmico e/ou acústico que compreendem as lãs minerais de acordo com a invenção.

A invenção tem também como objeto um processo de fabricação das lãs minerais de acordo com a invenção, processo do tipo "centrifugação interna", quer dizer que recorrer a centrifugadoras que giram em grande velocidade e que são perfuradas de orifícios, as fibras obtidas sendo em seguida estiradas por um jato gasoso.

A invenção tem finalmente como objeto a utilização das lãs minerais de acordo com a invenção como materiais de isolamento térmico e/ou acústico ou substratos de cultura fora do solo.

As vantagens apresentadas pelas lãs minerais de acordo com a invenção serão melhor apreciadas através dos exemplos seguintes, que ilustram a presente invenção sem no entanto limitá-la.

As tabelas 1 e 2 reúnem composições de vidro de acordo com a invenção assim como suas propriedades. O exemplo comparativo Cl é um vidro que contém óxido de boro representativo das composições de lãs de vidro industrialmente exploradas.

A composição dos vidros é expressa em porcentagens em massa de óxidos. As impurezas inevitáveis que provêm das matérias primas, dos agentes de refino ou dos materiais refratários do forno, das quais algumas aliás não são analisadas, só foram transcritas em seu teor total. É bem evidente para o profissional neste campo que essas impurezas, presentes a teores geralmente inferiores a 1%, e mesmo a 0,5% nos exemplos que se seguem, não desempenham nenhum papel funcional no âmbito da presente invenção.

A fim de ilustrar as vantagens das composições de vidro de acordo com a invenção, as tabelas apresentam as propriedades fundamentais seguintes:

- a temperatura que corresponde a uma viscosidade de IO3 poises, anotada

"Tlog3" e expressa em graus Celsius, correspondendo à temperatura de formação das fibras,

- a temperatura no líquido, anotada "Tliq" e expressa em graus

Celsius,

- o valor de dissolução "DGG", anotado "DGG": de acordo com esse método mergulha-se um pó de vidro que tem uma granulometria de 360 a 400 micrometros em água aquecida em refluxo durante 5 horas. Depois de um resfriamento rápido, filtra-se a mistura e efetua-se uma medição de matéria seca contida no filtrado. O valor de dissolução "DGG" exprime a quantidade de matéria dissolvida em miligramas por 10 gramas de vidro tratado,

- a velocidade de dissolução ("biossolubilidade") em meio neutro, anotada "kSi02", que representa a velocidade de dissolução de fibras de um diâmetro de 10 micrometros deixadas 7 dias em solução salina estática tamponada a um pH de 7,4 assegurado por um borbulhamento direto de uma mistura N2 / CO2 (90/10) associada à adição de NaHCO3 (2,7 g/l) na solução. A solução salina contém, alem do tampão pH, cloreto de sódio e citrato de sódio em concentrações respectivas de 6,6 g/L e 0,15 g/L, a relação entre a superfície de vidro exposta e o volume da solução de ataque sendo de 0,5 cm" essa velocidade de dissolução, expressa em ng/cm2.h, exprime a quantidade de vidro dissolvida por unidades de superfície de fibras e de tempo.

Tabela 1

Cl 1 2 3 4 5 6 7 SiO2 (/o) 65,0 64,6 65,7 67,7 66,0 65,7 64,0 65,7 Al2O3 (%) 2,0 1,95 1,0 2,0 1,3 0,9 0,2 2,5 B2O3 (%) 4,5 Fe2O3 (/o) 0,2 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 CaO (á) 8,0 10,8 10,8 8,4 9,6 7,95 9,15 7,95 MgO (%) 2,8 3,4 4,3 2,4 2,4 2,95 2,95 2,95 Na2O (%) 16,0 17,8 17,0 18,8 20,0 17,8 19,0 17,8 K2O (%) 0,8 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 P205 (%) 1,0 1,0 Sr0 CVO) 4,0 4,0 2,4 Impurezas (%) 0,7 0,45 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Tlog3 (0C) 1073 1089 1097 1099 1116 Tliq (0C) 890 1000 1000 960 960 DGG (mg/g) 27 28 29 28 kSi02 (ng/cm2,h) 200 495 660 120 270 370 850 210 Tabela 2

8 9 10 11 12 13 14 15 SiO2 (%) 64,0 65,9 64,0 65,0 68,8 65,7 64,8 64,8 Al2O3 (%) 1,3 2,5 1,3 2,9 2,3 2,2 1,0 1,0 B2O3 (%) Fe2O3 (/o) 0,13 0,1 0,1 0,1 CaO (á) 9,15 8,8 10,0 8,8 8,5 10,4 10,7 13,9 MgO (%) 2,95 3,4 3,5 3,4 2,6 2,5 3,4 0,1 Na2O (/0) 19,0 19,1 20,5 18,7 17,1 18,6 18,6 18,7 K2O (%) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,7 0,6 0,3 0,3 P205 (%) 0,7 1,1 1,1 SrO (%) k,9 Impurezas (/0) 0,3 0,1 0,3 0,2 0,1 0,1 Tlog3 (0C) 1103 1062 1107 Tliq (0C) 950 950 960 980 970 1030 DGG (mg/g) 33 33 29 33 34 32 kSi02 (ng/cm2.h) 475 135 430 140 105 180 640

Os exemplos apresentados demonstram que é possível obter lãs minerais das quais as fibras são desprovidas de óxido de boro e que combinam no entanto bons desempenhos em termos de resistência hidrolítica e de biossolubilidade. A resistência hidrolítica das lãs minerais de acordo com a invenção é em especial surpreendentemente baixa em relação ao aumento grande do teor em óxidos alcalinos. A biossolubilidade é no que lhe diz respeito em geral melhorada apesar da ausência de óxido de boro: esse ponto é também surpreendente pois um grande aumento da biossolubilidade é acompanhado em geral por uma baixa da resistência hidrolítica em proporções próximas.

Nada disso acontece no caso dos vidros de acordo com a invenção, para os quais a escolha especial dos constituintes e de seus teores permite obter um a biossolubilidade aumentada para uma resistência hidrolítica equivalente.

Claims (12)

1. Lã mineral caracterizada pelo fato de que suas fibras de vidro apresentam uma composição química substancialmente desprovida de óxido de boro e que compreendem os seguintes constituintes dentro dos 5 limites definidos abaixo expressos em porcentagens ponderais: SiO2 60 a 75 Al2O3 0 a 4 Na2O 17 a 22 CaO 5 a 15 Fe2O3 0 a 2 P2O5 0 a 3

2. Lã mineral de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a composição química de suas fibras compreende também os constituintes seguintes dentro dos limites definidos abaixo expressos em porcentagens ponderais: MgO O a 5 SrO O a 6

3. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o teor em sílica (SiO2) é superior ou igual a 62%, notadamente 63% ou 64% e/ou inferior ou igual a 68%, notadamente 67% e de preferência 66% ou 65%.

4. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o teor em alumina (Al2O3) é inferior ou igual a 3%, notadamente 2,5%, de preferência 2% ou 1,5% e/ou superior ou igual a 0,5%.

5. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a soma dos teores em sílica e alumina (SiO2 + Al2O3) é inferior ou igual a 70%, notadamente 69% ou 68% e de preferência 67% ou 66%.

6. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a grandeza "SiO2 + 2A1203 -2P205" é inferior ou igual a 68%, notadamente 66%, os teores sendo expressos em porcentagens molares.

7. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o teor em óxido de sódio (Na2O) é superior ou igual a 17,5%, notadamente 18% ou 18,5% e de preferência 19%, e/ou inferior ou igual a 22%, preferencialmente 21% e notadamente 20%.

8. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o teor em óxido de cálcio (CaO) é superior ou igual a 6%, notadamente 7% ou 8%, de preferência 8,5% e/ou inferior ou igual a 13%, notadamente 12% ou 11%.

9. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a relação Na20/Ca0 é superior ou igual a 2, notadamente 2,1 ou 2,2.

10. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o teor em óxido de magnésio (MgO) é superior ou igual a 1%, notadamente 2% e/ou inferior ou igual a 5%, notadamente 4% ou 3%.

11. Lã mineral de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o teor em óxido de ferro (Fe2O3) é inferior ou igual a 0,5%.

12. Utilização de lãs minerais de acordo com uma das reivindicações Iall caracterizada pelo fato de que é como materiais de isolamento térmico e/ou acústico ou substratos de cultura fora do solo.