IT8267404A1 - Composizione di vetro, procedimento per la sua formazione e prodotti fabbricati con la composizione stessa - Google Patents
Composizione di vetro, procedimento per la sua formazione e prodotti fabbricati con la composizione stessaInfo
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Description
D O C U M EN TA Z IO N E
R IL E G A TA
"Composizione di vetro, procedimento per la sua formazione
e prodotti fabbricati con la composizione stessa"
RIASSUNTO
E' descritta una composizione di vetro, che ? forma?
ta a partire da una miscela comprendente una o pi? zeoliti
minerali naturali ed avente punto di fusione situato nel?
l'intervallo compreso tra circa 1000? e circa 1500?C. Le
composizioni di vetro secondo la presente invenzione posso?
no essere foggiate in diversi articoli di vetro, tra cui ISi vetro piano, contenitori di vetro, fibra di vetro e schiuma c? ?et di vetro. cr> s o Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce ai vetri. Sebbe?
ne riguardi i vetri in generale, essa concerne in particola?
re i vetri che sono riducibili in fibra. ? Sfondo dell'invenzione
.':? Le zeoliti minerali naturali sono un gruppo di "??Yy f? T0*.
CE PA/f allumino-silicati alcalini e/o alcalino-terrosi idrati, che
hanno un reticolo cristallino tridimensionale aperto.
Sebbene si conoscano e siano state descritte nella lettera?
tura un gran numero di singole zeoliti minerali, undici
minerali costituiscono il gruppo principale di zeoliti
minerali: analcime, cabazite, c 1inoptilo1ite , erionite,
ferrierite, heulandite, laumontite, mordenite, natrolite,
phillipsite e wairakite. Le propriet? chimiche e fisiche
di queste zeoliti minerali principali, nonch? le propriet?
di molte delle zeoliti minerali minori, sono ampiamente
descritte in Lefond (ed.), Industriai Minerals and Rocks
(4a ediz., 1975), pp. 1235-1274; Breck, Zeollte Molecular
Sieve s (1974), specialmente Capitolo 3; e, Mumpton
(ed.), Mineralogy and Geology of Naturai Zeolites, Voi.
4 (Miner?logica 1 Society of America: Novembre 1977). Que?
ste pubblicazioni descrivono anche la distribuzione geolo?
gica delle zeoliti minerali naturali ed alcuni impieghi
? industriali ed agricoli che sono stati proposti oppure
in cui le zeoliti minerali naturali sono ora applicate 3
? \ '? industrialmente.
E1 importante osservare che le zeoliti minerali
naturali sono una classe di materiali totalmente differen?
te dalle "zeoliti sintetiche?, che sono state ampiamente
descritte in molti recenti articoli e brevetti. Poich?
non vi ? alcun sistema universalmente riconosciuto per
denominare le zeoliti sintetiche e poich? alcuni dei materiali sintetici presentano diagrammi di diffrazione dei raggi X che suggeriscono possibili analogie di struttura con le zeoliti minerali naturali, alcuni resoconti nella letteratura e nei brevetti hanno descritto certe zeoliti sintetiche come versioni "sintetiche" delle zeoliti minerali naturali. Cos?, ad esempio, certe zeoliti sintetiche sono state descritte come "analcime sintetica" oppure "mordenite sintetica" e cos? via. Come osservato nel summenzionato riferimento di Breck, tuttavia, questa esposizione ? tecnicamente errata ed ha soltanto portato a confusione tra le due classi di material^ peraltro distinte: le zeoliti minerali naturali e le zeoliti sintetiche. Sebbene si ammetta che vi sono tra i due gruppi analogie di struttura, ? chiaro che le zeoliti minerali naturali costituiscono una classe di materiali di struttura e propriet? nettamente separate e distinte da quelle delle zeoliti sintetiche.
1 vetri sono materiali vetrosi composti ampiamente di silice. Essendo tuttavia la silice un materiale altamente refrattario, quantit? sostanziali di carbonato di sodio, calce od altri materiali fondenti sono aggiunte alla silice per consentire alla composizione formatrice di vetro di essere fusa a temperature ragionevoli. Piccole quantit? di altri materiali, usualmente materiali elementari od ossidi, sono comunemente aggiunte
ai bagni di vetro per conferire al vetro finito propriet?
particolari quali colorazione oppure resistenza chimica.
Finora, tuttavia, non vi ? stata alcuna descrizione di
notevole impiego di zeoliti nelle matrici di vetro e parti?
colarmente come componente principale di una matrice di
vetro. E' stato descritto un esperimento in cui una misce?
la di clinoptilo1ite e vetro era riscaldata a 800?C (assai
al disotto del punto di fusione dell'una e dell'altro)
per produrre ci? che ? descritto come una composizione
porosa di vetro di bassa densit?; si veda Mumpton, supra,
p. 197, riferimento alla domanda giapponese pubblicata
di Tamura 74/098.817 (1974).
Breve sommario dell'invenzione
La presente invenzione ? una composizione di vetro
formata a partire da una miscela fusa, miscela che prima
della fusione comprende una zeolite minerale naturale
e che ha una temperatura di fusione situata ne11'interva1- ? ? lo compreso tra circa 1000? e circa 1500?C. In una forma
di attuazione preferita la zeolite minerale naturale com?
prende mordenite ed ha un punto di fusione situato nel?
l'intervallo compreso tra circa 1250? e circa 1400?C.
Rientra ugualmente nell'ambito della presente invenzione
un corpo di vetro formato a partire dalla summenzionata
composizione di vetro, nonch? una fibra di vetro formata
a partire dalla summenzionata composizione.
Descrizione particolareggiata e forme di attuazione preferite Nella presente invenzione, una zeolite minerale ? un componente principale (preferibilmente il principale) della miscela di materie prime, che ? fusa per formare la composizione di vetro in oggetto. Come indicato precedentemente, le diverse singole zeoliti minerali sono descritte bene nella letteratura pubblicata. Si comprender? che questi materiali, essendo tutti naturali, varieranno di composizione da partita a partita entro intervalli accettati, secondo il particolare giacimento minerale (o parte del giacimento minerale) da cui le zeoliti provengono. Si comprender? ugualmente che spesso due o pi? minerali zeolitici saranno mescolati, in un particolare giacimento. Questi usualmente non occorrer? vengano separati per l'impiego nell'invenzione, in quanto la presente invenzione contempla l'uso non soltanto di zeoliti minerali singole, ma anche di miscele di due o pi? zeoliti minerali. Di fatto, in molti casi, sar? preferibile avere una miscela di zeoliti poich? variazioni di propriet? desiderabili, quali la temperatura di fusione, possono spesso essere ottenute mediante l'uso di una tale miscela. Saranno anche solitamente presenti diversi altri minerali, tra cui materiali amorfi. La presenza degli altri minerali non impedire??' sce alla miscela di riflettere le propriet? del componente zeolitico.
Nella presente invenzione, la zeolite minerale o la miscela di zeoliti minerali da impiegare saranno scelte in modo da provvedere una temperatura di fusione situata nell'intervallo compreso tra circa 1000? e circa 1500?C, preferibilmente tra circa 1250? e circa 1400?C. Queste zeoliti minerali provvedono, cos?, una matrice vetrosa ad una temperatura di fusione generalmente inferiore a quella comunemente associata con la maggior parte dei vetri, particolarmente dei vetri riducibili in fibra.
Tra le zeoliti minerali, come materie prime per le miscele formatrici di vetro sono particolarmente preferite la mordenite e la c1inoptiIoli te. E' stato trovato che una miscela di queste due zeoliti, in proporzioni generalmente simili (mescolate con una quantit? minore di materiali amorfi ed altri minerali), fonde nell'intervallo compreso tra circa 1250? e circa 1400?C. Cos?, da sola, essa provvede un'appropriata temperatura di fusione senza la necessit? di aggiungere alcun altro minerale zeolitico od alcun fondente chimico. Le zeoliti minerali adatte sono disponibili in commercio presso The Anaconda Company .
Le zeoliti minerali usate per preparare i vetri secondo la presente invenzione possono essere incorporate nella miscela formatrice di vetro in quantit? che sono generalmente simili alle quantit? combinate di silice e di allumina nelle composizioni di vetro classiche. Gli usuali ossidi inorganici impiegati nelle composizioni di vetro per provvedere propriet? quali colorazione, resistenza alla devetrificazione, stabilit? termica, resistenza all'attacco chimico e simile^ possono essere incorporati insieme con le zeoliti minerali sostanzialmente nelle stesse proporzioni quali sono impiegate nelle composizioni di vetro classiche. La proporzione di zeolite minerale nella miscela formatrice di vetro sar? almeno 40% in peso e preferibilmente almeno circa 5&f? in peso riferito alla composizione. Pu? essere desiderabile, in alcuni casi, aggiungere piccole quantit? (solitamente non oltre circa 30% in peso) di rottame di vetro ("cullet") alla composizione. In questo caso sar?, ovviamente^ necessario impiegare un rottame che non abbia notevole effetto deleterio sulle propriet? del vetro a base di zeolitejallo stato finito. i Quando si desiderano riduzioni della temperatura di fusione oltre quelle ottenibili grazie alla miscela di due o pi? zeoliti minerali, possono essere aggiunti fondenti chimici tradizionali quali carbonato di sodio.
Le composizioni di vetro secondo la presente invenzione possono essere usate per fabbricare qualsiasi tra una molteplicit? di tipi di prodotti ed articoli di vetro.
Il presente vetro ? adatto per essere usato come vetro piano, vetro per contenitori (ivi incluso vetro per bottiglie) eccetera. E' comune che i vetri secondo la presente invenzione presentino una certa colorazione, particolarmente un bruno chiaro. Si ritiene che ci? sia dovuto all'ossido ferrico presente nella composizione di zeolite. Se si desidera, l'intensit? della leggera colorazione bruna cosi presente pu? essere diminuita od eliminata mediante estrazione del ferro dalla zeolite. In alternativa, il ferro ferrico pu? essere ridotto a ferro ferroso, ci? che modificher? la colorazione dal bruno all'azzurro o verde. L'uso finale del vetro fabbricato a partire dalle presenti composizioni di vetro determiner? se la colorazione nel vetro pu? essere tollerata oppure no. Il grado di colorazione in una composizione particolare secondo la presente invenzione determiner?, ad esempio, se le bottiglie fabbricate con il vetro saranno le bottiglie limpide utilizzate per prodotti quali il latte oppure le bottiglie colorate usate per prodotti quali la birra o prodotti da toeletta.
1 vetri secondo la presente invenzione sono particolarmente utili per la fabbricazione di fibre di vetro. Essi possono essere ridotti in fibra in un qualsiasi modo classico di fabbricazione delle fibre, ivi inclusi filatura allo stato fuso, estrusione, estrusione seguita da assottigliamento mediante getto di gas o di vapore oppure estrusione centrifuga seguita da assottigliamento mediante
getto di gas o di vapore. Come nel caso delle fibre di
vetro classiche, i procedimenti di formazione e raccolta
determineranno se le fibre di vetro devono essere usate
per prodotti tessili, come fibre di fiocco o come lana
di vetro;oppure vetro isolante. I materiali usati in modo
classico con le fibre di vetro,quali gli agenti di accop?
piamento ed i leganti polimerici^ possono essere ugualmente
bene impiegati con le presenti fibre di vetro.
Due propriet? dei vetri di zeolite sono particolar?
mente notevoli per quanto concerne i prodotti di fibra
di vetro. Innanzitutto, come indicato precedentemente,
le zeoliti fondono a temperature che sono generalmente
di circa 50? a 150?C inferiori a quelle dei formatori
di fibra di vetro conosciuti^ quali le cariche di vetro
(contenente zirconia) resistente agli alcali e le cariche
di "vetro E". Le temperature di fusione inferiori provvedo?
no notevoli risparmi nel consumo di energia, oltre a per?
mettere il prolungamento della durata di servizio delle
apparecchiature di fusione quali le boccole, poich? que?
ste possono essere fatte funzionare in condizioni meno
spinte. In secondo luogo, le prove hanno indicato che
le fibre di vetro a base di zeolite presentano un grado
di resistenza agli alcali paragonabile a quello delle
fibre di vetro contenente zirconia. Tuttavia, poich? le
,\ fibre di vetro a base di zeolite sono notevolmente meno
costose, esse potrebbero essere usate per una grande varie?
t? di applicazioni di rinforzo in ambienti alcalini ove
il costo elevato delle fibre di vetro alla zirconia vieta
attualmente l'uso del rinforzo di'vetro.
I vetri di zeolite secondo la presente invenzione
possono essere fabbricati mediante fusione nei forni di
fabbricazione del vetro usuali, con la vantaggiosa elabo?
razione a temperatura inferiore discussa in quanto prece?
de. Inoltre, il bagno fuso di vetro di zeolite non reagi?
sce in modo notevole con i materiali refrattari del tipo
comunemente impiegato per rivestire tali forni, contribuen?
do cos? ad una durata prolungata del rivestimento. Le
t temperature di fusione inferiori dei vetri alla zeolite 1
hanno anche il vantaggio di ridurre eventuali sviluppi
di zolfo dalle operazioni di fusione del vetro, poich?
i composti delle zolfo che possono essere presenti (ad
esempio nel rivestimento refrattario del forno) hanno,
alle temperature di fusione ridotte, minore tendenza a
decomporsi in composti solforati gassosi.
I vetri a base di zeolite secondo la presente
invenzione possono anche essere sotto forma di schiume
di vetro.
Nell'ambito della presente invenzione ? anche
inclusa la fabbricazione di ceramiche di vetro a partire
dalle zeoliti. Ci? ? effettuato formando dapprima, dal bagno di zeolite, il vetro allo stato vetroso e poi devetrificando il vetro mediante raffreddamento controllato per formare ceramiche della cristallinit? desiderata. Questo aspetto dell'invenzione ? particolarmente applicabile ai materiali fibrosi e pu? essere usato per convertire fibre di vetro per "temperatura di servizio di 500?C" in fibre di ceramica per "temperatura di servizio di 1 100?C". Le fasi cristalline che sono state identificate nelle fibre di ceramica cos? formare a partire da una materia prima costituita da mordenite^ sono anortite e diopsite. E' particolarmente interessante la capacit? di queste zeoliti di formare tali, ceramiche senza l'uso di agenti di germinazione; cio?, le zeoliti. possono essere considerate "autogerminant i" . Tuttavia, se lo si desidera, gli agenti di germinazione possono essere usati per innescare la formazione di ceramica.
I vetri secondo la presente invenzione hanno coefficienti di dilatazione dello stesso ordine di molti metalli. Essi possono pertanto essere impiegati per rivestire gusci metallici senza incontrare eccessivi problemi di dilatazione differenziale.
A titolo di esempio della presente invenzione, una composizione di vetro ? preparata a partire da una zeolite minerale designata "2020A" e disponibile in commerci? presso The Anaconda Company. In questo esperimento, la composizione di vetro ? formata completamente a partire dal mineraLe mordenite del commercio, che fonde a circa 1350?C per produrre un vetro colorato di bruno avente la seguente composizione, indicata in percento in peso sul secco:
TABELLA ?
SiO. 61,5%
AL 0 10,2%
2 3
MgO 3,8% CaO 16,7% Na 0 2,1% 2
K2? 2,7%
Fe sotto forma di Fe 0 3,0%
2 3
(Si noti che le temperature di fusione del vetro di a1lumino-si1icato classico sono dell'ordine di 1600?C).
IL vetro di questa composizione ? sottoposto a rifusione per formare fibre di vetro e si trova che forma facilmente fibre e provvede una fibra di vetro di buona qua1ita .
Il vetro di questo esempio risulta avere una densit? apparente paragonabile a quella del vetro di calce sodata (per finestre) e del vetro E ed un coefficiente di dilatazione termica situato approssimativamente a met? tra i coefficienti di questi due vetri. La temperatura di transizione vetrosa risulta essere di oltre 10% superio?
re a quella del vetro alla calce sodata, ci? che indica
un maggiore grado di stabilit? e resistenza alla devetrifi?
cazione. Come risultato importante ? stato determinato
che le fibre di vetro formate hanno resistenza agli alcali
(in NaOH al 5% a 90?C) paragonabile a quella di provini
di fibre di vetro "resistenti agli alcali" contenenti
zirconia del commercio, come indicato nella seguente tabel?
la II:
TABELLA II
Perdita di peso, %
Tempo , ore Fibre di Fibre di Fibre di vetro
vetro di "vetro E" "resistenti azeolite gli alcali" del
commercio
24 3,53 28,17 2 ,10
48 3,97 35,78 4,34
72 5,08 41,94 5,90
Pertanto, come ? evidente, i vetri di zeoliti
minerali secondo la presente invenzione hanno propriet?
almeno uguali a quelle dei comuni vetri e fibre di'vetro
secondo la tecnica anteriore, possono essere preparati
a temperature sostanzialmente inferiori alle temperature
usate per fabbricare i vetri di allumino -si1icato secon?
do la tecnica anteriore e presentano propriet? di resisten?
za agli alcali paragonabili a queLle dei vetri contenenti t?
Claims (18)
1. Composizione di vetro avente porzioni di ossidx di silicio e di alluminio e formata a partire da una miscela fusa, miscela che prima della fusione comprende un componente zeolitico minerale naturale e che ha una temperatura di fusione situata nell'intervallo compreso tra circa 1000?e circa 1500?C.
2. Composizione di vetro secondo la rivendicazione 1, in cui la sorgente delle porzioni di ossidi di silicio e di alluminio di detta composizione comprende detto componente zeolitico minerale naturale.
3. Composizione di vetro secondo la rivendicazione 2, in cui detta sorgente delle porzioni di ossidi di silicio e di alluminio di detta composizione consiste essenzialmente di detto componente zeolitico minerale naturale.
4. Composizione di vetro secondo le rivendicazioni 1, 2 o 3, in cui detto componente zeolitico minerale naturale comprende almeno un minerale zeolitico naturale scelto nel gruppo costituito da analcime, cabazite, clinopti? lolite, erionite, ferrierite, heulandite, laumontite, mordenite, natrolite, phillipsite, wairakite o loro misce le.
5. Composizione di vetro secondo la rivendicazione 4, in cui detto componente zeolitico minerale naturale comprende mordenite, clinoptilolite o loro miscele.
6. Composizione di vetro secondo la rivendicazione 5, in cui detto componente zeolitico naturale comprende detta miscela di mordenite e clinoptilolite.
7. Composizione di vetro secondo le rivendicazioni 1, 2 o 3, in cui detta miscela ha una temperatura di fusione situata nell'intervallo compreso tra circa 1250? e circa 1400?C.
8. Articolo formato a partire da una composizione di vetro secondo le rivendicazioni 1, 2 o 3.
9. Articolo secondo la rivendicazione 8, costituito da vetro piano, un contenitore, fibra di vetro o schiuma di vetro.
10. Articolo secondo la rivendicazione 9, costituito da fibra di vetro.
11. Corpo alcalino rinforzato con la fibra di vetro secondo la rivendicazione 10.
12. Articolo formato a partire da una composizione di vetro secondo la rivendicazione 5.
13. Articolo secondo la rivendicazione 12, costituito da vetro piano, un contenitore di vetro, fibra di vetro o schiuma di vetro.
14. Procedimento per formare una composizione di vetro, che consiste nel fondere una miscela comprendente un componente zeolitico minerale naturale ad una temperatura situata nell'intervallo compreso tra circa 1000? e circa 1400?C.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, in cui detto componente zeolitico minerale naturale comprende almeno un minerale zeolitico naturale scelto nel gruppo costituito da analcime, cabizite, c1inop tilolite, erionite, ferrierite, heulandite, laumontite, mordenite, natrolite, phillipsite, wairakite e loro miscele.
16. Procedimento secondo La rivendicazione 15, in cui detto componente zeoLitico minerale naturale comprende mordenite, clinopti lo1ite o loro miscele.
17. Procedimento secondo le rivendicazioni 14, 15 o 16, comprendente inoltre lo stadio di ridurre in fibre detta composizione di vetro.
18. Procedimento secondo le rivendicazioni 14, 15, o 16, comprendente inoltre lo stadio di montare a schiuma detta composizione di vetro.
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