COMPOSICIONES DE FIBRAS INORGÁNICAS.

Fibras inorgánicas que tienen la composición: Al2O3 ≥ 5% en moles K2O 12-40% en moles SiO2 5-80% en moles En la que SiO2 + Al2O3 + K2O ≥

80% en moles y ≤ 100% en moles

Esta invención se refiere a composiciones de fibras inorgánicas.

Los materiales fibrosos son muy conocidos por su uso como materiales aislantes térmicos y/o acústicos y se conocen también por su uso como componentes de refuerzo en materiales compuestos tales como, por ejemplo, cementos 5 reforzados con fibras, plásticos reforzados con fibras, y como un componente de materiales compuestos de matrices metálicas. Se pueden usar tales fibras en estructuras soporte para cuerpos de catalizadores en dispositivos de control de polución tales como convertidores catalíticos de sistemas de evacuación en automóviles y filtros diesel de materiales de partículas. Tales fibras se pueden usar como un componente de materiales de fricción [por ejemplo, frenos de automóviles]. Las fibras de la presente invención tienen una serie de propiedades y se pueden usar en alguna o todas 10 estas aplicaciones dependiendo de las propiedades mostradas.

Antes de 1987 había cuatro tipos básicos de materiales fibrosos usados para fabricar productos de aislamiento térmico [tales como, por ejemplo, mantas, formas moldeadas por vacío, y mástiques]. Estos se fabricaban por dos rutas principales de fabricación, aunque los detalles de las rutas particulares varían de acuerdo con el fabricante. Las fibras y rutas eran (en orden creciente de coste y comportamiento con la temperatura): 15

Fibras formadas de masa fundida

• Lanas minerales

• Lanas de vidrio

• Fibras de aluminosilicatos

Fibras de procedimientos sol-gel 20

• Fibras denominadas policristalinas

Las fibras formadas de masa fundida se forman produciendo una masa fundida y reduciendo a fibras la masa fundida resultante por cualquiera de los muchos métodos conocidos. Estos métodos incluyen:

• formar una corriente de masa fundida y permitiendo a la corriente ponerse en contacto con ruedas giratorias desde las que es lanzada para formar fibras 25

• formar una corriente de masa fundida y permitiendo a la corriente incidir en un chorro de gas que puede ser transversal, paralelo o formando un ángulo con la dirección de la corriente y volando con ello la masa fundida en fibras

• formar una fibra a partir de la masa fundida por un procedimiento rotatorio en el que la masa fundida se escapa a través de aberturas en la circunferencia de una copa giratoria y es volada por gases calientes para formar fibras

• extrudir la masa fundida a través de aberturas finas para formar filamentos, y en los que se puede usar tratamiento 30 adicional [por ejemplo, atenuación por llama donde el filamento se pasa a través de una llama]

• o cualquier otro método por el cual una masa fundida se convierte en una fibra.

A causa de la historia de fibras de asbestos, se ha prestado mucha atención a la potencia relativa de una amplia serie de tipos de fibras como una causa de enfermedad pulmonar. Estudios de la toxicología de fibras naturales y artificiales condujo a la idea de que era la persistencia de fibras en el pulmón la que causaba problemas. En consecuencia, se 35 desarrolló la idea de que si las fibras se pueden separar del pulmón rápidamente se minimizaría entonces cualquier riesgo para la salud. Surgieron los conceptos de “fibras biopersistentes” y “biopersistencia” – las fibras que duran mucho tiempo en el cuerpo animal se consideran biopersistentes, y el tiempo relativo que las fibras permanecen en el cuerpo animal se conoce como biopersistencia. Aunque se sabe que varios sistemas vítreos son solubles en fluidos pulmonares, dando por resultado baja biopersistencia, había un problema de que tales sistemas vítreos no eran 40 generalmente útiles para aplicaciones a altas temperaturas. Se consideró una necesidad de mercado para una fibra que podía tener una biopersistencia baja combinada con una capacidad para altas temperaturas. Johns Manville en 1987 desarrolló un tal sistema basado en una química de silicato magnésico cálcico. Tal material tenía no solamente una capacidad para temperaturas más altas que las lanas de vidrio tradicionales, sino que también tenía una mayor solubilidad en fluidos corporales que las fibras de aluminosilicatos muy usadas para aislamiento a altas temperaturas. 45 Tales fibras poco biopersistentes se han desarrollado desde entonces, y una serie de fibras de silicatos alcalinotérreos [AES] está ahora en el mercado.

Las patentes que se refieren a las fibras AES incluyen:

• La Solicitud de Patente Internacional No. WO87/05007 – la solicitud original de Johns-Manville – que describió que fibras que comprenden magnesia, sílice, óxido de calcio y menos de 10% en peso de alúmina son solubles en disolución 50 salina. Las solubilidades de las fibras descritas eran en términos de partes por millón de silicio (extraído del material que contenía sílice de la fibra) presente en una disolución salina después de 5 horas de exposición.

• La Solicitud de Patente Internacional No. WO89/12032 describió fibras adicionales solubles en disolución salina y discutió algunos de los componentes que pueden estar presentes en tales fibras.

• La Solicitud de Patente Europea No. 0399320 describió fibras de vidrio que tienen una alta solubilidad fisiológica y 5 tienen 10-20% en moles de N2O y 0-5% en moles de K2O. Aunque se demostró que estas fibras son fisiológicamente solubles, su temperatura de uso máxima no se indicó.

Otras descripciones de patentes que revelan selección de fibras por su solubilidad en disoluciones salinas incluyen por ejemplo la Europea 0412878 y 0459897, Francesa 2662687 y 2662688, WO86/04807, WO90/02713, WO92/09536, WO093/22251, WO93/15028, WO94/15883, WO97/16386, WO2003/059835, WO2003/060016, EP1323687, 10 WO2005/000754, WO2005/000971, y Estados Unidos 5250488.

El poder refractario de las fibras descritas en estos diversos documentos de la técnica anterior varía considerablemente, y para estos materiales de silicatos alcalinotérreos las propiedades son dependientes críticamente de la composición.

Como una generalidad, es relativamente fácil producir fibras de silicatos alcalinotérreos que se comportan bien a bajas temperaturas, porque para el uso a bajas temperaturas se pueden proporcionar aditivos tales como óxido de boro para 15 garantizar buena formación de fibra y variar las cantidades de los componentes para adecuar las propiedades deseadas del material. Sin embargo, como se pretende aumentar el poder refractario de las fibras de silicatos alcalinotérreos, se obliga a reducir el uso de aditivos, porque en general (aunque con excepciones) cuantos más componentes están presentes menores son los poderes refractarios.

El documento WO93/15028 describió fibras que comprenden CaO, MgO, SiO2, y opcionalmente ZrO2 como 20 componentes principales. Tales fibras AES se conocen también como fibras CMS (silicato cálcico magnésico) o CMZS (silicato cálcico magnésico circónico). El documento WO93/15028 requería que las composiciones usadas deben estar prácticamente libres de óxidos de metales alcalinos. Cantidades de hasta 0,65% en peso se mostraron aceptables para materiales adecuados para usar como aislamiento a 1000ºC.

El documento WO93/15028 describió también métodos para predecir la solubilidad de vidrios e incluyó una serie de 25 materiales que se probaron como vidrios para su solubilidad, pero no formaron fibras. Entre estas composiciones estaban composiciones que tienen la referencia KAS, KMAS, y KNAS que eran respectivamente un aluminosilicato potásico, un aluminosilicato potásico magnésico, y un aluminosilicato potásico sódico. Se consideró que estas composiciones tenían insuficiente solubilidad sobre la base de medidas de solubilidad en una disolución de tipo fisiológico. El tipo de disolución fisiológica usada tiene un pH de aproximadamente 7,4. 30

Posteriormente se ha descubierto que la solubilidad depende del entorno en el que se encuentra la fibra. Aunque la disolución salina fisiológica presente en fluido pulmonar intercelular se aproxima a la dada en el documento WO93/15028, y tiene un pH de aproximadamente 7,4, el mecanismo para aclarar fibras implica su ataque por macrófagos. Se sabe que el pH de la disolución salina fisiológica presente cuando los macrófagos se ponen en contacto con las fibras...

1. Fibras inorgánicas que tienen la composición:

Al2O3 ≥ 5% en moles

K2O 12-40% en moles 5

SiO2 5-80% en moles

En la que SiO2 + Al2O3 + K2O ≥ 80% en moles y ≤ 100% en moles.

2. Fibras inorgánicas, como se reivindica en la reivindicación 1, en las que la cantidad de K2O es menor que 30% en moles.

3. Fibras inorgánicas, como se reivindica en la reivindicación 1, en las que la cantidad de SiO2 es ≥ 35% en moles. 10

4. Fibras inorgánicas, como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en las que la cantidad de SiO2 está por debajo del 70% en moles.

5. Fibras inorgánicas, como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en las que la cantidad de SiO2 es mayor que 52% en moles y las fibras comprenden modificadores de la viscosidad en cantidades suficientes para permitir que se formen fibras menores que 10 µm. 15

6. Fibras inorgánicas, como se reivindica en la reivindicación 5, en las que el modificador de viscosidad se selecciona del grupo de óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos, óxidos lantánidos, óxido de boro, fluoruros, y sus mezclas.

7. Fibras inorgánicas, como se reivindica en la reivindicación 5, en las que el modificador de viscosidad comprende magnesio en forma de óxido u otra forma. 20

8. Fibras inorgánicas, como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en las que la relación molar K2O:Al2O3 es menor que 1,5 y mayor que 0,4.

9. Fibras inorgánicas, como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en las que la cantidad de CaO + MgO + Na2O +K2O +BaO es mayor que 18% en peso.

10. Fibras inorgánicas, como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que tienen la composición: 25

Al2O3 10-50% en moles

K2O 12-40% en moles

SiO2 30-80% en moles

en la que SiO2 + Al2O3 + K2O ≥ 80% en moles.

11. Fibras inorgánicas, como se reivindica en la reivindicación 10, que tienen la composición: 30

Al2O3 15-40% en moles

K2O 15-30% en moles

SiO2 40-60% en moles

en la que SiO2 + Al2O3 + K2O ≥ 90% en moles.

12. Fibras inorgánicas como se reivindica en la reivindicación 11 en las que la cantidad de Al2O3 está en el intervalo de 35 25-35% en moles.

13. Fibras inorgánicas como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en las que la cantidad de SiO2 es menor que 52% en moles.

14. Aislamiento térmico que comprende fibras inorgánicas como se reivindican en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13. 40

15. Aislamiento térmico como se reivindica en la reivindicación 14, en el que el aislamiento es en forma de manta.

16. Mástiques que comprenden fibras inorgánicas como se reivindican en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

17. Materiales compuestos que comprenden fibras inorgánicas como se reivindican en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

18. Estructuras soporte para cuerpos de catalizadores que comprenden fibras inorgánicas como se reivindican en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

19. Materiales de fricción que comprenden fibras inorgánicas como se reivindican en una cualquiera de las 5 reivindicaciones 1 a 13.