ES2851224T3 - Procedimiento de fabricación de fibras de vidrio de alta resistencia mediante una operación de fusión directa y productos formados a partir de las mismas - Google Patents

Procedimiento de fabricación de fibras de vidrio de alta resistencia mediante una operación de fusión directa y productos formados a partir de las mismas Download PDF

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Abstract

Procedimiento de producción de fibras de vidrio a partir de un lote de vidrio en bruto en un fundidor de vidrio con revestimiento refractario, comprendiendo el procedimiento las etapas de: cargar el lote de vidrio en bruto en la zona de fusión de un fundidor de vidrio con revestimiento refractario, estando el lote de vidrio constituido por: 64-70 por ciento en peso de SiO2; 17-22 por ciento en peso de Al2O3; 9-12 por ciento en peso de MgO; 1,75-3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O, Na2O y K2O; y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SiO2, Al2O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos; calentar el lote de vidrio a una temperatura de formación superior a la temperatura de liquidus de un vidrio resultante para formar un vidrio fundido fibrizable; y fibrizar dicho vidrio fundido.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de fabricación de fibras de vidrio de alta resistencia mediante una operación de fusión directa y productos formados a partir de las mismas
Campo técnico y aplicabilidad industrial de la invención
La presente invención se dirige en general a un procedimiento de fabricación de fibras de vidrio continuas para su uso en aplicaciones de alta resistencia y a productos fabricados a partir de las mismas, tales como blindajes balísticos, recipientes a presión, materiales aeroespaciales estructurales, materiales marinos estructurales y materiales estructurales para energía eólica, tales como mástiles y aspas de molinos de viento.
Antecedentes de la invención
Los materiales compuestos reforzados con fibras de vidrio han estado disponibles para su uso en materiales marinos y aeroespaciales durante cierto tiempo. Otros materiales de fibras, tales como fibras de carbono y aramida, se encuentran disponibles para su uso, aunque a un coste sustancialmente mayor. Los artículos de la presente invención pueden usar cualquier procedimiento de fabricación conocido, incluyendo moldeo por compresión, laminado, rociado, laminado manual, laminado prefabricado (preimpregnado), moldeo por compresión, moldeo con bolsa de vacío, moldeo con bolsa de presión, moldeo por presión, moldeo por transferencia, moldeo por transferencia de resina asistido por vacío, moldeo por pultrusión, devanado de filamentos, fundición, moldeo en autoclave, transferencia de resina con fundición centrífuga y fundición continua. Las propiedades del material compuesto se controlan por las fibras y la resina, y la sinergia entre las dos produce propiedades materiales que no se encuentran disponibles en los materiales individuales.
Algunas resinas son útiles en la fabricación de artículos compuestos, incluyendo resina de poliéster, resina de viniléster y resina epoxi. La resina de poliéster resulta adecuada para algunas situaciones. La resina de viniléster tiene un curado previo de menor viscosidad y un curado posterior más flexible que la resina de poliéster y, por lo general, es más resistente a la degradación. La resina epoxi normalmente es transparente cuando se cura. La resina epoxi es una resina de poliéter formada por la polimerización de bisfenol A, bisfenol F, bisfenol C y compuestos de estructura similar con epiclorhidrina que dan como resultado la formación del enlace oxirano reactivo. Las resinas epoxi pueden reaccionar con una variedad de agentes de curado, incluyendo aminas, anhídridos, mercaptanos, poliésteres para formar un sólido infusible. La reacción es una reacción de condensación que normalmente no genera subproductos. Las resinas epoxi curadas presentan una alta resistencia y una baja contracción durante el curado. Se utilizan como revestimientos, adhesivos, piezas de fundición, compuestos o espuma. Las resinas epoxi también son deseables para su uso en aplicaciones de alta resistencia como material de matriz estructural o como pegamento estructural. Los fenólicos son resinas termoestables formadas por la condensación de fenol, o de un derivado de fenol, con un aldehído, normalmente un formaldehído. Los fenólicos se utilizan principalmente en la fabricación de pinturas y plásticos. Otras resinas específicas de módulo de alta resistencia incluyen bismaleimida, poliamida, viniléster fenólico, copolímeros de etileno-acrilato o metacrilato, termoplásticos de módulo medio de alta resistencia como un ionómero (es decir, un copolímero reticulado de etileno-acrilato de metilo o metacrilato de metilo), policarbonato, poliuretano, nailon, aramida, epoxis modificados.
La composición de vidrio de alta resistencia más común para la producción de hebras continuas de fibra de vidrio es "S-Glass" (vidrio S). S-Glass es una familia de vidrios compuestos principalmente por óxidos de magnesio, aluminio y silicio con una composición química que produce fibras de vidrio con una mayor resistencia mecánica que las fibras de E-Glass (vidrio E). Un miembro de la familia S-Glass de uso común se conoce como S2-Glass (vidrio S2). El vidrio S2 incluye aproximadamente 65 % en peso de SiO2, 25 % en peso de A^O3 y 10 % en peso de MgO. El vidrio S tiene una composición que fue diseñada originalmente para ser utilizada en aplicaciones de alta resistencia tales como blindaje balístico.
R-Glass es una familia de vidrios que se componen principalmente de óxidos de silicio, aluminio, magnesio y calcio con una composición química que produce fibras de vidrio con una resistencia mecánica más alta que las fibras de vidrio E. R-Glass (vidrio R) tiene una composición que contiene aproximadamente 58-60 % en peso de SiO2, 23,5 -25,5 % en peso de A^O3, 14-17 % en peso de CaO más MgO, 0 % de B2O3, 0 % de F2 y menos de 2 % en peso de componentes diversos. El vidrio R contiene más alúmina y sílice que el vidrio E y requiere temperaturas de procesamiento y fusión más altas durante la formación de las fibras. Normalmente, las temperaturas de fusión y procesamiento del vidrio R son al menos 160 °C más altas que las del vidrio E. Este aumento en la temperatura de procesamiento generalmente requiere el uso de un fundidor revestido de platino de alto coste. Además, en el vidrio R, la proximidad de la temperatura de liquidus a la temperatura de formación requiere que el vidrio sea fibrizado a una temperatura más alta que el vidrio E.
Se pueden encontrar otras composiciones de vidrio de alta resistencia conocidas en la solicitud de patente de Estados Unidos n.° 11/267.739 titulada “Composition for High Performance Glass, High Performance Glass Fibers and Articles Therefrom", publicada como la publicación de solicitud de patente de Estados Unidos n.° 2008/0009403.
Tanto el vidrio R como el vidrio S se producen fundiendo los componentes de las composiciones en un recipiente de fusión revestido de platino. Los costes de formar fibras de vidrio R y vidrio S son dramáticamente más altos que los de las fibras de vidrio E debido al coste de producción de las fibras en tales fundidores. Por tanto, existe una necesidad en la técnica de procedimientos para formar composiciones de vidrio útiles en la formación de fibras de vidrio de alto rendimiento a partir de un procedimiento de fusión directa en un horno sustancialmente libre de platino u otros materiales de metales nobles y productos formados a partir de las mismas.
El documento GB-A-1 147718 divulga una fibra de vidrio que comprende de 54 a 72 por ciento en peso de sílice, de 11 a 32 por ciento en peso de óxido de aluminio, de 7,4 a 22,8 por ciento en peso de óxido de magnesio y óxido de arsénico, en una cantidad igual hasta al menos 0,1 por ciento en peso basándose en la fibra total y, de manera opcional, otros constituyentes compatibles.
Sumario de la invención
La presente invención incluye un procedimiento para producir fibras de vidrio a partir de un lote de vidrio en bruto con un fundidor de vidrio sustancialmente libre de platino u otros materiales de metales nobles. El procedimiento incluye cargar un lote de vidrio en bruto en una zona de fusión de un fundidor de vidrio, calentar el lote de vidrio en bruto a una temperatura de formación superior a la temperatura de liquidus del vidrio resultante para formar un vidrio fundido fibrizable y fibrizar el vidrio fundido. La presente invención también incluye productos elaborados a partir de tales fibras.
En una realización, la invención comprende un procedimiento para formar fibras de vidrio de alta resistencia en un sistema continuo que tiene un horno, un canal de distribución y un buje. El procedimiento incluye proporcionar un horno de fusión de vidrio para recibir lotes de vidrio y descargar vidrio fundido, y revestir al menos una porción del horno con un material sustancialmente libre de materiales de metales nobles para formar una superficie de contacto del vidrio con el horno. El lote de vidrio se suministra al horno, el lote de vidrio consta de 64 a 70 por ciento en peso de SiO2, 17 a 22 por ciento en peso de A^O3, 9 a 12 por ciento en peso de MgO, 1,75 a 3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O, Na2O y K2O, y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SO2, A^O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos. El lote de vidrio se funde en el horno proporcionando calor desde una fuente de calor del horno, tal como los quemadores de oxicombustible, formando un depósito de vidrio fundido en contacto con la superficie de contacto del vidrio con el horno. Para transportar el vidrio fundido desde el horno al buje, se dispone un canal de distribución, y al menos una porción del canal de distribución está revestida con un material sustancialmente libre de materiales de metales nobles para formar una superficie de contacto del vidrio con el canal de distribución. El vidrio fundido se transporta al canal de distribución mientras que el calor se proporciona desde una fuente de calor del canal de distribución y fluye a través del canal de distribución a lo largo de una trayectoria de flujo sustancialmente horizontal formada por la superficie de contacto del vidrio con el canal de distribución. El vidrio fundido se descarga desde el canal de distribución al buje a una temperatura de aproximadamente 2400 °F (1316 °C) a aproximadamente 2900 °F (1593 °C) y una viscosidad predeterminada (por ejemplo, aproximadamente 1000 poise), y se forma en fibras continuas.
La invención incluye un procedimiento de fabricación de una composición de vidrio para la formación de fibras de vidrio continuas y productos elaborados a partir de las mismas que resultan adecuados para su uso en aplicaciones de alta resistencia. Las composiciones útiles en la presente invención pueden formarse de manera económica en fibras de vidrio usando fusión directa de bajo coste en un horno sustancialmente libre de platino u otros materiales de metales nobles, incluyendo aleaciones de los mismos.
Una composición útil en la presente invención incluye 64-75 % en peso de SiO2, 16-26 % en peso de A^O3, 8-12 % en peso de MgO y 0 a 3,0 % en peso de R2O, donde R2O es la suma de Li2O, Na2O y K2O.
En una realización, la composición de vidrio se compone de 64-70 % en peso de SiO2, 17-22 % en peso de A^O3, 9­ 12 % en peso de MgO y 1,75-3,0 % en peso de R2O, donde R2O es la suma de Li2O, Na2O y K2O. En otra realización, una composición de vidrio útil en la presente invención está compuesta por 64-70 % en peso de SiO2, 17-22 % en peso de A^O3, 9-12 % en peso de MgO y 1,75-3,0 % en peso de Li2O.
En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las propiedades deseadas del vidrio producido por el lote mencionado anteriormente incluyen una temperatura de fibrización de menos de 2650 °F (1454 °C) y una temperatura de liquidus que está preferiblemente por debajo de la temperatura de fibrización en al menos 80 °F (44 °C), más preferiblemente en al menos aproximadamente 120 °F (67 °C) y, más preferiblemente, en al menos aproximadamente 150 °F (83 °C).
La presente invención también proporciona una pieza estructural que presenta propiedades estructurales mejoradas con costes reducidos y una mayor facilidad de fabricación. La formación por fusión directa de las fibras de vidrio continuas utiliza una fusión de bajo coste en un fundidor de vidrio sustancialmente libre de platino u otros materiales de metales nobles. La temperatura de fibrización relativamente baja de las fibras de vidrio utilizadas en las aplicaciones de alta resistencia de la presente invención permite el procesamiento mejorado de las fibras a un coste reducido. Los artículos de la presente invención se forman normalmente mediante moldeo por compresión, laminado, rociado, laminado manual, laminado prefabricado (preimpregnado), moldeo por compresión, moldeo con bolsa de vacío, moldeo con bolsa de presión, moldeo por presión, moldeo por transferencia, moldeo por transferencia de resina asistido por vacío, moldeo por pultrusión, devanado de filamentos, fundición, moldeo en autoclave, transferencia de resina con fundición centrífuga o fundición continua.
Las fibras producidas y utilizadas en la presente invención son sustancialmente menos costosas de fabricar y también presentan buenas propiedades de resistencia y densidad. La densidad de las fibras utilizadas en la presente invención varía entre 2,434-2,520 g/cc y, más preferiblemente, entre 2,434-2,486 g/cc y tienen un módulo medido mayor que 87,57 GPa (12,7 MPsi) y una resistencia de fibra prístina medida mayor que 4689 MPa (680 KPsi).
Breve descripción de los dibujos
La FIGURA 1 es una vista longitudinal en sección transversal de un horno de fusión de vidrio de utilidad en el procedimiento de la presente invención;
La FIGURA 2 es una vista en planta en sección transversal del horno de fusión de vidrio de la FIGURA 1 tomada a lo largo de la línea 2--2;
La FIGURA 3 es una vista en sección transversal del horno de fusión de vidrio de la FIGURA 1 tomada a lo largo de la línea 3--3 que ilustra dos quemadores adyacentes a la pared del extremo aguas arriba del horno;
La FIGURA 4 es una vista en planta en sección transversal alternativa del horno de fusión de vidrio de la FIGURA 1 tomada a lo largo de la línea 3--3 que ilustra un quemador adyacente a la pared del extremo aguas arriba del horno; y
La FIGURA 5 es una vista lateral, parcialmente en sección transversal, de una disposición de conjunto de buje/estructura de soporte para producir filamentos de vidrio continuos útiles en el procedimiento de la presente invención.
La FIGURA 6 es una vista en planta superior en sección transversal de un canal de distribución a modo de ejemplo de utilidad en el procedimiento de la presente invención para transportar vidrio fundido desde el horno de fusión de vidrio al conjunto de buje/soporte.
La FIGURA 7 es una vista en alzado lateral en sección transversal de otro canal de distribución a modo de ejemplo de utilidad en el procedimiento de la presente invención.
Descripción detallada y realizaciones preferidas de la invención
A continuación, se describirá la presente invención con referencia ocasional a las realizaciones específicas de la invención. Sin embargo, esta invención puede realizarse de diferentes formas y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones aquí expuestas. Más bien, estas realizaciones se proporcionan para que la presente divulgación sea exhaustiva y completa, y transmita plenamente el alcance de la invención a los expertos en la materia.
A menos que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la materia a la que pertenece esta invención. La terminología utilizada en la descripción de la invención en el presente documento es solo para describir realizaciones particulares y no pretende ser una limitación de la invención. Tal como se usa en la descripción de la invención y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el", "la" pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
A menos que se indique otra cosa, todos los números que expresan cantidades de ingredientes, propiedades tales como peso molecular, condiciones de reacción, etc., tal como se usan en la memoria descriptiva y las reivindicaciones, deben entenderse como modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, las propiedades numéricas expuestas en la memoria descriptiva y las reivindicaciones son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas que se pretenden obtener en las realizaciones de la presente invención. A pesar de que los rangos numéricos y los parámetros que establecen el amplio alcance de la invención son aproximaciones, los valores numéricos establecidos en los ejemplos específicos se presentan con la mayor precisión posible. Sin embargo, cualquier valor numérico contiene de forma inherente ciertos errores que resultan necesariamente del error encontrado en sus respectivas mediciones.
Las propiedades de fibrización de la composición de vidrio utilizada para formar las fibras de vidrio de la presente invención incluyen la temperatura de fibrización, el liquidus y el delta-T. A menos que se defina lo contrario en el presente documento, la temperatura de fibrización se define como la temperatura que corresponde a una viscosidad de 1000 poise (temperatura log 3). Un experto en la materia reconocerá que pueden definirse otras temperaturas de fibrización, por ejemplo, una temperatura de fibrización puede definirse como la temperatura que corresponde a una viscosidad de 316 poise (de temperatura log 2,5).
Tal como se expone con más detalle a continuación, en ciertas realizaciones una temperatura de fibrización más baja reduce el coste de producción de las fibras, permite una vida útil más larga del buje, aumenta el rendimiento, permite que el vidrio se derrita en un fundidor sustancialmente libre de platino u otros materiales de metales nobles y reduce el consumo de energía. Por ejemplo, a una temperatura de fibrización más baja, un buje funciona a una temperatura más fría y no se "pandeará" tan rápidamente. El pandeo es un fenómeno que ocurre en bujes que se mantienen a una temperatura elevada durante periodos de tiempo prolongados. Al bajar la temperatura de fibrización, se puede reducir la tasa de pandeo del buje y es posible aumentar la vida útil del buje. Además, una temperatura de fibrización más baja permite un mayor rendimiento, ya que se puede fundir más vidrio en un periodo determinado con una entrada de energía determinada. Como resultado, se reduce el coste de producción. Además, una temperatura de fibrización más baja también permitirá que el vidrio formado con el procedimiento y la composición de la invención se derrita en un fundidor con revestimiento refractario o en un fundidor con paredes enfriadas externamente, ya que tanto sus temperaturas de fusión como de fibrización están por debajo de las temperaturas de uso superiores muchos refractarios u otros materiales disponibles comercialmente cuando se suministra enfriamiento externo.
El liquidus se define como la temperatura más alta a la que existe equilibrio entre el vidrio líquido y su fase cristalina primaria. A todas las temperaturas por encima del liquidus, el vidrio está libre de cristales en su fase primaria. A temperaturas por debajo del liquidus, se pueden formar cristales.
Otra propiedad de fibrización es delta-T (AT), que se define como la diferencia entre la temperatura de fibrización y el liquidus. Un AT mayor ofrece un mayor grado de flexibilidad durante la formación de las fibras de vidrio y ayuda a inhibir la desvitrificación del vidrio (es decir, la formación de cristales dentro de la masa fundida) durante la fusión y la fibrización. El aumento de AT también reduce el coste de producción de las fibras de vidrio al permitir una mayor vida útil del buje y al proporcionar una ventana de procedimiento más amplia para la formación de las fibras.
Por el contrario, una temperatura de fibrización más alta y/o un AT más bajo significa que el procedimiento de formación de fibras es menos tolerante, siendo más sensible a las variaciones de temperatura, a los puntos fríos y al vidrio de movimiento lento.
Las composiciones de vidrio empleadas en la presente invención son ventajosamente adecuadas para fundir en un horno o fundidor de vidrio sustancialmente libre de platino u otros materiales de metales nobles y aleaciones de los mismos, incluyendo los fundidores de vidrio con revestimiento refractario tradicionales disponibles en el mercado y los fundidores de vidrio comercialmente disponibles revestidos con paredes enfriadas externamente, por ejemplo, paredes enfriadas por agua.
Los componentes del lote de partida incluyen normalmente SiO2 (arena de sílice molida) y AhO3 (alúmina calcinada), Li2CO3 (carbonato de litio), H3BO3 (ácido bórico), NaCaB5Og 8H2O (ulexita), 2CaO-3B2O3-5H2O (colemanita) así como modificadores de cadena de materiales de origen como MgCO3 (magnesita), CaCO3 (piedra caliza), SrCO3 (estroncianita), BaCO3 (witherita), ZrSiO4 (circón) y Na2CO3 (natrita). Un experto en la materia apreciará que se pueden usar otros materiales de partida. Ejemplos adicionales no limitantes de componentes de partida adecuados incluyen caolinita (AhSi2O5(OH)4), pirofilita (Al2Si4Oio(OH)2), bauxita (AIO(OH)), wollastonita (CaSiO3), espodumeno (LiAlSi2O6), feldespato (CaAl2Si2Os), dolomita (CaMg(CO2)2), cal (CaO), cal viva dolomítica (CaMgO2) y cal hidratada (Ca(OH)2).
Horno de fusión de vidrio
Las FIGURAS 1-4 representan un horno de fusión de vidrio (10) útil en el procedimiento de formación de fibras de vidrio descrito en el presente documento y expuesto en los ejemplos y reivindicaciones siguientes. También puede ser deseable utilizar calentamiento con oxígeno dentro del horno de fusión, tal como se divulga en la patente de Estados Unidos n.° 7.509.819 titulada "OXYGEN-FIRED FRONT END FOR GLASS FORMING OPERATION', inventores David J. Baker y col. El horno de fundición de vidrio (10) proporciona vidrio fundido a un canal de distribución de vidrio (12).
El vidrio fundido se compone de 64-70 % en peso de SiO2, 17-22 % en peso de A^O3, 9-12 % en peso de MgO, 1,75 a 3,0 % en peso de R2O donde R2O es la suma de Li2O, Na2O y K2O y trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SiO2, A^O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos. Una fibra formada de acuerdo con el procedimiento de esta realización a modo de ejemplo tendrá una temperatura fibrización de menos de 1454 °C (2650 °F) y, en ciertas realizaciones, de menos de aproximadamente 1458 °C (2625 °F), en otras realizaciones de menos de aproximadamente 1427 °C (2600 °F) y, en ciertas realizaciones, de menos de aproximadamente 1413 °C (2575 °F) y una temperatura de liquidus que está por debajo de la temperatura de fibrización en ciertas realizaciones en al menos 44 °C (80 °F) y, en otras realizaciones, en al menos aproximadamente 67 °C (120 °F) y, en otras realizaciones, en al menos aproximadamente 83 °C (150 °F).
En una realización, el vidrio fundido se compone de 64-70 % en peso de SÍO2, 17-22 % en peso de AI2O3, 9-12 % en peso de MgO, 1,75 a 3,0 % en peso de R2O, donde R2O es la suma de LÍ2O, Na2O y K2O.
En otra realización, el vidrio fundido se compone de 64-70 % en peso de SO2, 17-22 % en peso de AhO3, 9-12 % en peso de MgO, 1,75 a 3,0 % en peso de Li2O.
Las fibras producidas y utilizadas en la presente invención son sustancialmente menos costosas de fabricar y también presentan buenas propiedades de resistencia y densidad. La densidad de las fibras utilizadas en la presente invención varía entre 2,434 - 2,520 g/cc y, más preferiblemente, entre 2,434 - 2,486 g/cc. Además, las fibras de vidrio de la presente invención, en ciertas realizaciones, tendrán una resistencia de fibra prístina superior a 4689 MPa (680 KPSI) y, en algunas otras realizaciones, una resistencia superior a aproximadamente 4827 MPa (700 KPSI) y, en otras realizaciones, una resistencia superior a aproximadamente 5033 MPa (730 KPSI). Además, las fibras de vidrio tendrán ventajosamente un módulo superior a 82,74 GPa (12,0 MPSI) y, en determinadas realizaciones, superior a aproximadamente 83,98 GPa (12,18 MPSI) y, en algunas realizaciones, superior a aproximadamente 87,57 GPa (12,7 MPSI).
El procedimiento de la presente invención se realiza, preferiblemente, utilizando el horno de fusión de vidrio (10), que incluye un canal alargado que presenta una pared de extremo aguas arriba (14), una pared de extremo aguas abajo (16), paredes laterales (18), un piso (20) y un techo (22). Cada uno de los componentes del horno de fusión de vidrio (10) está elaborado de materiales refractarios apropiados como alúmina, óxido crómico, sílice, alúmina-sílice, circón, circonia-alúmina-sílice, o materiales refractarios similares a base de óxidos, en particular las superficies que están en contacto con el vidrio fundido. El techo (22) se muestra generalmente con una forma arqueada transversal al eje longitudinal de la composición del canal; sin embargo, el techo puede presentar cualquier diseño adecuado. El techo (22) se coloca normalmente entre aproximadamente 3-10 pies por encima de la superficie del lote de vidrio (30). El lote de vidrio (30) es una mezcla de materias primas utilizadas en la fabricación de vidrio de acuerdo con la presente invención.
El horno de fusión de vidrio (10) puede incluir, de manera opcional, uno o más burbujeadores (24) y/o electrodos de refuerzo eléctrico (no mostrados). Los burbujeadores (24) y/o los electrodos de refuerzo eléctrico aumentan la temperatura del vidrio a granel y aumentan la circulación del vidrio fundido bajo la cubierta del lote.
Los burbujeadores (24) y/o los electrodos de refuerzo eléctrico pueden resultar de particular utilidad en las realizaciones segunda y tercera a modo de ejemplo, que incluyen composiciones de vidrio que tienen una temperatura de fibrización más alta, por ejemplo, 1316 - 1593 °C (2400 - 2900 °F) y/o un AT bajo, por ejemplo, tan bajo como 45 °C (25 °F), o incluso un AT negativo tal como - 68 °C (-122 °F), donde el potencial de desvitrificación es mayor.
Además, el horno de fusión de vidrio (10) puede incluir dos zonas sucesivas, una zona de fusión aguas arriba (26) y una zona de refinado aguas abajo (28). En la zona de fusión (26), la composición de lote de vidrio (30) puede cargarse en el horno usando un dispositivo de carga (32) de un tipo bien conocido en la técnica.
En una configuración adecuada del fundidor, el material de lote de vidrio (30) forma una capa de lote de partículas sólidas sobre la superficie del vidrio fundido en la zona de fusión (26) del horno de fusión de vidrio (10). Las partículas sólidas flotantes del lote de la composición del lote de vidrio (30) se funden al menos parcialmente, mediante al menos un quemador (34) que tiene una forma y longitud de llama controladas montado dentro del techo (22) del horno de fusión de vidrio (10).
En una realización preferida, tal como se muestra en la FIGURA 1, el horno de fusión de vidrio (10) incluye tres quemadores (34). Un solo quemador (34) se coloca aguas arriba de dos quemadores aguas abajo colocados adyacentes (34). Sin embargo, se apreciará que cualquier número de quemadores (34) puede colocarse en cualquier ubicación adecuada en el techo (22) del horno (10) sobre el lote para fundir el lote de vidrio (30). Por ejemplo, se pueden colocar dos quemadores (34) en una relación de lado a lado (FIGURA 3) o puede utilizarse un solo quemador (FIGURA 4).
Cabe señalar que los quemadores (34) del horno de fusión de vidrio (10) pueden estar dispuestos en la corona (techo) del horno, en las paredes laterales, en las paredes de extremo, sumergidos dentro del lote o vidrio fundido, o en combinaciones de los mismos.
Pueden usarse otros fundidores sin apartarse de la presente invención. Los fundidores adecuados incluyen fundidores de aire-gas, fundidores de oxígeno-gas, fundidores calentados eléctricamente o cualquier fundidor accionado con combustible fósil. Es posible añadir impulso eléctrico o burbujeadores a cualquiera de los procedimientos de fusión. También es posible incluir una zona de refinado separada (tal como se muestra en la FIGURA 1) o incorporar la zona de refinado en el tanque principal del fundidor.
Disposición del canal de distribución
El canal de distribución recibe el vidrio fundido descargado del horno de fusión de vidrio y transporta el vidrio fundido, descargando el vidrio fundido en condiciones adecuadas a una posición de formación. Los componentes del canal de distribución pueden revestirse con materiales refractarios apropiados, tales como alúmina, óxido crómico, sílice, alúmina-sílice, circón, circonia-alúmina-sílice o materiales refractarios similares a base de óxidos, en particular las superficies que están en contacto con el vidrio fundido. Preferiblemente, dichas superficies de contacto de vidrio del canal de distribución están revestidas con materiales de óxido crómico, circón o combinaciones de los mismos.
Para las composiciones que tienen una temperatura de fibrización de menos de 1454 °C (2650 °F) y una temperatura de liquidus que está por debajo de la temperatura de fibrización en al menos 44 °C (80 °F), puede emplearse un canal de distribución convencional.
Para otras composiciones en las que la temperatura de fibrización es alta y/o el AT es bajo, pueden ser útiles otras disposiciones de canal de distribución para promover una condición isotérmica en el vidrio fundido, evitando así la desvitrificación. Por ejemplo, transportar el vidrio fundido a través del canal de distribución a poca profundidad (D), por ejemplo, menos de aproximadamente 203 mm (8 pulgadas), o preferiblemente menos de aproximadamente 89 mm (3,5 pulgadas), mejorará la transmisión de calor por radiación a través del vidrio fundido. Los quemadores de combustión de oxígeno-combustible instalados son particularmente útiles como fuente de calor del canal de distribución a este respecto. BH-F (Engineering) Ltd. de Inglaterra suministra un sistema típico de combustión de oxígeno-combustible. Tal como se define aquí, los quemadores de oxígeno y combustible son quemadores que usan oxígeno (por ejemplo, normalmente de 90 a 99 por ciento de pureza con una impureza que es una combinación de nitrógeno y argón) en una alta pureza como oxidante, en lugar del aire ambiental usado en los quemadores de airecombustible y combustible fósil para un suministro de hidrocarburos combustibles, pero pueden incluir quemadores que utilizan aire enriquecido con oxígeno (por ejemplo, 30 a 90 por ciento de pureza). La temperatura de la llama de un quemador de oxígeno-gas es de aproximadamente 2315 a aproximadamente 2871 °C (de aproximadamente 4200 a aproximadamente 5200 °F). A esta temperatura, la llama y los productos de la combustión irradian energía a longitudes de onda que el vidrio fundido puede absorber. Esto promueve una temperatura uniforme del vidrio horizontalmente sobre la superficie del vidrio fundido y verticalmente a través del vidrio fundido.
Los quemadores de aire-combustible también pueden usarse como fuente de calor del canal de distribución, particularmente cuando se instalan con un espaciado muy reducido, por ejemplo, de 4 pulgadas de distancia.
En las FIGURAS 6 y 7 se muestran disposiciones de canales de distribución a modo de ejemplo útiles en la presente invención. El canal de distribución (322A) está adaptado para suministrar una sustancia fundida (por ejemplo, vidrio fundido G) desde un horno de fusión de vidrio hasta un punto de producción (es decir, una posición de formación, que se expone a continuación). El vidrio fundido (G) no entra en contacto con la porción superior del canal de distribución (322A). En consecuencia, esta porción puede construirse a partir de material refractario relativamente económico (es decir, un material refractario de superestructura, tal como sílice, mullita u otros materiales que no se requiere que soporten los efectos corrosivos del vidrio fundido (G)).
Una porción inferior del canal de distribución (322A) está por debajo del nivel del vidrio (L) y, por tanto, forma una superficie de contacto del vidrio que entra en contacto con el vidrio fundido (G). En consecuencia, esta porción del canal de distribución (322A) está construida con un material de contacto de vidrio más costoso. Un material refractario cerámico (es decir, circón, óxido crómico u otro material adecuado) constituye un material refractario de contacto de vidrio adecuado, puesto que puede soportar los efectos corrosivos del vidrio fundido (G).
El canal de distribución (322A) puede comprender una parte superior o corona (no mostrada), una parte inferior (tampoco mostrada) y paredes laterales (328A). El canal de distribución (322A) presenta un extremo aguas arriba, generalmente indicado en (330A), y un extremo aguas abajo, generalmente indicado en (332A). Puede proporcionarse un extremo abierto (334) en el extremo aguas abajo (332A) del canal de distribución (322A). Puede proporcionarse una pared de extremo (336A) en el extremo aguas arriba (330A) del canal de distribución (322A). Pueden proporcionarse uno o más orificios de vidrio (338) en la parte inferior del canal de distribución (322A) próximos, adyacentes o cerca de la pared de extremo (336A). El canal de distribución del extremo frontal, según se ha introducido anteriormente, es aquella porción del canal de distribución (322A) que presenta una pared de extremo (336A) y orificios de vidrio (338) en la parte inferior.
Los quemadores de canal de distribución (344), tales como los quemadores de oxígeno-combustible, se colocan por encima del nivel del vidrio (L), que se muestra en la FIGURA 7. Los quemadores de canal de distribución (344) están orientados en un plano (por ejemplo, un plano sustancialmente horizontal) perpendicular a las superficies (340) y en un ángulo agudo con respecto a las superficies (340). Los quemadores de canal de distribución (344) apuntan hacia el extremo aguas abajo 332A del canal de distribución (322A) en un ángulo entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 85 grados con respecto a las superficies (340), tal como se muestra en la FIGURA 6. Los quemadores de canal de distribución (344) pueden estar escalonados o de manera alternativa espaciados de modo que los quemadores de canal de distribución opuestos (344) en las paredes laterales opuestas (328A) estén desplazados lateralmente o no se alineen lateralmente (no se alineen verticalmente cuando se observa la FIGURA 6) entre sí.
La temperatura de la llama de un quemador de oxígeno-combustible es de aproximadamente 2315-2871 °C (4200­ 5200 °F). Sin embargo, la llama es preferiblemente muy pequeña. En consecuencia, la llama no entra en contacto directo con las paredes laterales (328A). Sin embargo, el calor que irradia la llama es bastante considerable. Aunque la llama no entra en contacto directo con las paredes laterales (328A), las paredes laterales (328A) se calientan lo suficiente por convección o por el calor que irradia la llama. Este calor radiante es suficiente para acondicionar adecuadamente el vidrio fundido (G) y mantener el vidrio fundido G a la temperatura deseada sin comprometer la integridad del canal de distribución (322A) al exponer el canal de distribución (322A) a temperaturas excesivamente altas. Esto resulta cierto incluso si los quemadores (344) están espaciados entre aproximadamente 1 pie y aproximadamente 5 pies de distancia entre sí.
Debe apreciarse que son posibles otras disposiciones de quemador de canal de distribución y están dentro del alcance de la invención. Por ejemplo, otra disposición de quemador a modo de ejemplo se ilustra en la FIGURA 7. Los quemadores de canal de distribución (344) están orientados en un plano (por ejemplo, un plano sustancialmente vertical) perpendicular a la superficie (346) y en un ángulo agudo con respecto a la superficie (346). Los quemadores de canal de distribución (344) pueden apuntar hacia el extremo aguas arriba 330C del canal (322C) en un ángulo entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 85 grados con respecto a la superficie 346, tal como se muestra en la FIGURA 7. De manera alternativa, los quemadores de canal de distribución (344) pueden apuntar hacia el extremo aguas abajo (332C) del canal (322C) en un ángulo entre aproximadamente 95 grados y aproximadamente 175 grados con respecto a la superficie (346).
Cabe señalar que los quemadores pueden disponerse en la corona (techo) del canal de distribución, en las paredes laterales, en las paredes de extremo, sumergidos dentro del lote o vidrio fundido, o en combinaciones de los mismos.
Conjunto de buje
Tal como se muestra en la FIGURA 5, un conjunto de buje 100 incluye un buje (110) y un bastidor de buje 210. El buje (110) incluye un cuerpo principal de buje (120) con paredes laterales (122) y una placa de punta (124) que se extiende entre las paredes laterales (122). El cuerpo principal (120) está posicionado debajo de un bloque de buje (300) que, a su vez, está posicionado debajo de un canal de distribución (310). Al poner en práctica el procedimiento de la presente invención, el cuerpo principal (120) recibe una corriente de vidrio fundido procedente del canal de distribución (310). El canal de distribución (310) recibe el vidrio fundido de un fundidor (10) (mostrado en la FIGURA 1). Un canal de suministro (40) está posicionado entre el fundidor (10) y el canal de distribución (310) para suministrar la composición de lote de vidrio fundido (30) desde el fundidor (10) al canal de distribución (310). El canal de distribución (310) y el bloque de buje (300) pueden ser de construcción convencional y pueden estar formados a partir de materiales refractarios.
La placa de punta (124) contiene una pluralidad de boquillas (124a) (también denominadas orificios) a través de las cuales puede descargarse una pluralidad de corrientes de vidrio fundido. Las corrientes de material fundido pueden extraerse mecánicamente de la placa de punta (124) para formar filamentos continuos (125) mediante un dispositivo de devanado convencional (400) tal como una devanadora o recortadora u otros medios de atenuación. Los filamentos (125) pueden agruparse en una o múltiples hebras continuas (125a) después de haber recibido un revestimiento protector de una composición de apresto desde un aplicador de apresto (410). Los filamentos continuos (125a) se pueden enrollar en un collar giratorio (402) del dispositivo devanador (400) para formar un paquete (125b). Los filamentos continuos (125) también pueden procesarse en otros materiales de vidrio compuesto deseados, incluyendo, sin limitación, fibras de hebras troceadas para uso en húmedo, fibras de hebras troceadas para uso en seco, esteras de filamentos continuos, esteras de hebras troceadas, esteras formadas en húmedo o esteras realizadas en aire.
Los artículos de alta resistencia de la presente invención usan las fibras formadas descritas anteriormente como refuerzo de fibras de vidrio dentro de un material de matriz polimérica. Los materiales de matriz típicos incluyen resina de poliéster, resina de viniléster fenólico, resina de viniléster y resina epoxi, bismaleimida, poliamida, viniléster fenólico, copolímeros de etileno-acrilato o metacrilato, etileno-acrilato de metilo reticulado, copolímero e ionómero de metacrilato de metilo, policarbonato, poliuretano, nailon o aramida y epoxis modificados. Los artículos pueden formarse mediante cualquier técnica de fabricación adecuada, incluyendo moldeo por compresión, laminado, rociado, laminado manual, laminado prefabricado (preimpregnado), moldeo por compresión, moldeo con bolsa de vacío, moldeo con bolsa de presión, moldeo por presión, moldeo por transferencia, moldeo por transferencia de resina asistido por vacío, moldeo por pultrusión, devanado de filamentos, fundición, moldeo en autoclave, transferencia de resina con fundición centrífuga y fundición continua.
Una vez descrita de forma general la presente invención, se puede obtener una comprensión adicional haciendo referencia a ciertos ejemplos específicos ilustrados a continuación que se proporcionan solo con fines ilustrativos y no pretenden ser exhaustivos o limitativos a menos que se especifique lo contrario.
EJEMPLOS
Los vidrios de los ejemplos enumerados en las Tablas IIA - IIC se fundieron en crisoles de platino o en un fundidor continuo con revestimiento de platino para determinar las propiedades mecánicas y físicas del vidrio y las fibras producidas a partir de ellos. Las unidades de medida para las propiedades físicas son: viscosidad (°F), temperatura de liquidus (°F) y AT (°F). En algunos ejemplos, los vidrios se fibrizaron y se midieron la resistencia (KPsi), la densidad (g/cc) y el módulo (MPsi).
La temperatura de fibrización se midió usando un viscosímetro de husillo giratorio. La viscosidad de fibrización se define como 1000 Poise. El liquidus se midió colocando un recipiente de platino lleno de vidrio en un horno de gradiente térmico durante 16 horas. La mayor temperatura a la que estaban presentes los cristales se consideró la temperatura de liquidus. El módulo se midió mediante la técnica sónica en una sola fibra de vidrio. La resistencia a la tracción se midió en una única fibra prístina.
Tabla II-A
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Tabla II-B
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Tabla II-C
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La composición de la presente invención también puede incluir modificadores de cadena tales como Na2O, CaO y B2O3. Tales composiciones (que están fuera del alcance de las reivindicaciones) se muestran en la Tabla II-D (a continuación).
Tabla II-D
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Las fibras producidas por la presente invención tienen características de módulo y resistencia superiores. Las fibras del Ejemplo 1 tienen un módulo medido de 87,64 GPa (12,71 MPsi) y una resistencia medida de 4744 MPa (688 KPsi). Las fibras del Ejemplo 3 tienen un módulo medido de 89,36 GPa (12,96 MPsi) y una resistencia medida de 5082 MPa (737 KPsi). Las fibras del Ejemplo 17 tienen un módulo medido de 87,91 GPa (12,75 MPsi) y una resistencia medida de 5061 MPa (734 KPsi).
Como se entiende en la técnica, las composiciones de la invención a modo de ejemplo anteriores no siempre totalizan el 100 % de los componentes enumerados debido a convenciones estadísticas (tales como el redondeo y el promediado) y al hecho de que algunas composiciones pueden incluir impurezas que no se enumeran. Por supuesto, las cantidades reales de todos los componentes, incluidas las impurezas, en una composición siempre suman 100 %. Además, debe entenderse que cuando se especifican pequeñas cantidades de componentes en las composiciones, por ejemplo, cantidades del orden de aproximadamente 0,05 por ciento en peso o menos, esos componentes pueden estar presentes en forma de trazas de impurezas presentes en las materias primas, en lugar de añadirse intencionadamente.
De manera adicional, pueden añadirse componentes a la composición del lote, por ejemplo, para facilitar el procesamiento, que luego se eliminan, formando así una composición de vidrio que está esencialmente libre de tales componentes. Así, por ejemplo, cantidades diminutas de componentes tales como flúor y sulfato pueden estar presentes como trazas de impurezas en las materias primas que proporcionan los componentes de sílice, litio, alúmina y magnesia en la práctica comercial de la invención o pueden ser coadyuvantes de procesamiento que son esencialmente eliminados durante la fabricación.
Como es evidente a partir de los ejemplos anteriores, ciertas composiciones de fibra de vidrio útiles en la invención tienen propiedades ventajosas, tales como bajas temperaturas de fibrización y grandes diferencias entre las temperaturas de liquidus y las temperaturas de fibrización (valores de AT elevados). Otras ventajas y modificaciones obvias de la invención resultarán evidentes para los expertos a partir de la descripción anterior y más adelante a través de la práctica de la invención.
En determinadas realizaciones, el vidrio de alto rendimiento producido por la presente invención se funde y refina a temperaturas relativamente bajas, tiene una viscosidad viable en un amplio rango de temperaturas relativamente bajas y un rango de temperatura de liquidus bajo.
En otras realizaciones, el vidrio de alto rendimiento producido por la presente invención se funde y refina a temperaturas relativamente altas y tiene una viscosidad viable en un rango de temperaturas relativamente pequeño.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de producción de fibras de vidrio a partir de un lote de vidrio en bruto en un fundidor de vidrio con revestimiento refractario, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
cargar el lote de vidrio en bruto en la zona de fusión de un fundidor de vidrio con revestimiento refractario, estando el lote de vidrio constituido por:
64-70 por ciento en peso de SO2;
17-22 por ciento en peso de A^Oa;
9-12 por ciento en peso de MgO;
1,75-3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O, Na2O y K2O; y
trazas de impurezas presentes en las materias primas que proporcionan los componentes SO2, A^O3, MgO y R2O, estando cada impureza presente en una cantidad de 0,05 por ciento en peso o menos;
calentar el lote de vidrio a una temperatura de formación superior a la temperatura de liquidus de un vidrio resultante para formar un vidrio fundido fibrizable; y
fibrizar dicho vidrio fundido.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el vidrio producido a partir de dicho lote tiene una temperatura de fibrización de menos de 1454 °C (2650 °F), y un AT de al menos 44,44 °C (80 °F), donde AT es la diferencia entre la temperatura de fibrización y el liquidus del vidrio.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el vidrio producido a partir de dicho lote tiene un AT de al menos 66,67 °C (120 °F), donde AT es la diferencia entre la temperatura de fibrización y el liquidus del vidrio.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el fundidor de vidrio está revestido con un material refractario a base de óxido.
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el fundidor de vidrio está revestido con un material refractario seleccionado del grupo que consiste en alúmina, sílice, óxido crómico, alúmina-sílice, circón, circoniaalúmina-sílice y combinaciones de los mismos.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el vidrio producido a partir del lote se fibriza a una temperatura de formación de menos de 1427 °C (2600 °F).
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el vidrio producido a partir del lote tiene un AT de al menos 77,78 °C (140 °F), donde AT es la diferencia entre la temperatura de fibrización y el liquidus del vidrio.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el lote de vidrio está constituido por:
64-70 por ciento en peso de SO2;
17-22 por ciento en peso de A^Oa;
9-12 por ciento en peso de MgO; y
1.75- 3,0 por ciento en peso de R2O, donde R2O es igual a la suma de Li2O, Na2O y K2O.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el lote de vidrio está constituido por:
64-70 por ciento en peso de SO2;
17-22 por ciento en peso de A^O3;
9-12 por ciento en peso de MgO; y
1.75- 3,0 por ciento en peso de Li2O.
10. Fibra de vidrio producida mediante el procedimiento de la reivindicación 1.
11. Procedimiento de fabricación de un artículo compuesto de alta resistencia que comprende las etapas de: formar fibras mediante el procedimiento de la reivindicación 1;
combinar las fibras con un material de matriz;
conformar un artículo a partir de las fibras y el material de matriz combinados; y
curar el material de la matriz dentro del artículo.
12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, que además comprende:
formar una estructura de vidrio intermedia antes de combinar las fibras y el material de matriz, comprendiendo dicha estructura uno o más de una hebra troceada para uso en húmedo, una hebra troceada para uso en seco, una estera de filamentos continuos, una estera de hebras troceadas, una estera formada en húmedo y una estera realizada en aire.
13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el material de matriz comprende uno o más de resina de poliéster, resina de viniléster fenólico, resina de viniléster y resina epoxi, bismaleimida, poliamida, viniléster fenólico, copolímeros de etileno-acrilato o metacrilato, etileno-acrilato de metilo reticulado, copolímero e ionómero de metacrilato de metilo, policarbonato, poliuretano, nailon o aramida y epoxis modificados.
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