FIBRAS RESISTENTES A ALTAS TEMPERATURAS.
Fibras formadas por la técnica del sol-gel que comprenden en% en moles:
• Al2O3 y SiO2 en tales cantidades que Al2O3 + SiO2 está en el intervalo de 50% a 99% y en las que Al2O3 está presente en cantidades de al menos 25% en moles • 1%-35% en total, de un componente que consiste en uno o más óxidos de metales alcalinotérreos y/o óxidos de metales alcalinos y en las que cuando está presente el óxido de metal alcalinotérreo comprende uno o más de óxido de calcio, óxido de estroncio, óxido de bario o una de sus mezclas, y en las cuales: circ dicho componente es o comprende CaO, SrO, o una de sus mezclas y el CaO es menor de 25% en moles; y/o circ dicho componente comprende en total 5%-30% en moles
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2006/004182.
Solicitante: THE MORGAN CRUCIBLE COMPANY PLC.
Nacionalidad solicitante: Reino Unido.
Dirección: QUADRANT, 55-57 HIGH STREET WINDSOR, BERKSHIRE SL4 1LP REINO UNIDO.
Inventor/es: THOMAS,DAVID HYWEL, OLIVER,SIMON PAUL, WAINWRIGHT,RONALD CORBETT.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 8 de Noviembre de 2006.
Fecha Concesión Europea: 4 de Agosto de 2010.
Clasificación PCT:
- C03C13/00 QUIMICA; METALURGIA. › C03 VIDRIO; LANA MINERAL O DE ESCORIA. › C03C COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS VIDRIOS, VIDRIADOS O ESMALTES VÍTREOS; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DEL VIDRIO; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DE FIBRAS O FILAMENTOS DE VIDRIO, SUSTANCIAS INORGÁNICAS O ESCORIAS; UNIÓN DE VIDRIO A VIDRIO O A OTROS MATERIALES. › Composiciones para fibras o filamentos de vidrio (fabricación de fibras o filamentos de vidrio C03B 37/00).
- C04B35/624 C […] › C04 CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS; REFRACTARIOS. › C04B LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES, p. ej. MORTEROS, HORMIGON O MATERIALES DE CONSTRUCCION SIMILARES; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS (vitrocerámicas desvitrificadas C03C 10/00 ); REFRACTARIOS (aleaciones basadas en metales refractarios C22C ); TRATAMIENTO DE LA PIEDRA NATURAL. › C04B 35/00 Productos cerámicos modelados, caracterizados por su composición; Composiciones cerámicas (que contienen un metal libre, de forma distinta que como agente de refuerzo macroscópico, unido a los carburos, diamante, óxidos, boruros, nitruros, siliciuros, p. ej. cermets, u otros compuestos de metal, p. ej. oxinitruros o sulfuros, distintos de agentes macroscópicos reforzantes C22C ); Tratamiento de polvos de compuestos inorgánicos previamente a la fabricación de productos cerámicos. › Tratamiento sol-gel.
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Fibras resistentes a altas temperaturas.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a fibras resistentes a altas temperaturas formadas por un procedimiento de sol-gel. Dichas fibras sirven particularmente, aunque no exclusivamente, para uso como materiales para aislamiento térmico. La invención se refiere también al uso de dichas fibras en estructuras para soporte de catalizadores en dispositivos para el control de la contaminación, tales como convertidores catalíticos de los sistemas de escape de los automóviles y filtros de partículas diésel.
Fundamento de la invención
Los materiales fibrosos son muy conocidos como materiales para aislamiento térmico y también son conocidos por su uso como constituyentes reforzantes en materiales compuestos, tales como por ejemplo, cementos reforzados con fibras, plásticos reforzados con fibras, y como componente de matrices metálicas de materiales compuestos.
Antes de 1987 existían cuatro tipos principales de materiales fibrosos usados para fabricar productos para aislamiento térmico [tales como por ejemplo, manta, materiales conformados al vacío y materiales pastosos conocidos como mastics]. Estos productos se fabricaban por dos métodos principales, aunque los detalles de los métodos particulares varían de acuerdo con el fabricante. Las fibras según su naturaleza y sus métodos de fabricación eran, en orden de coste creciente y comportamiento a las diferentes temperaturas, los siguientes:
Fibras formadas en masa fundida
• Lanas de vidrio
• Lanas minerales
• Fibras de aluminosilicatos
Fibras formadas por la técnica del sol-gel
• Las denominadas fibras policristalinas.
Debido a los problemas de las fibras de amianto, se ha prestado mucha atención a la potencia relativa de una amplia gama de tipos de fibras como causantes de enfermedades pulmonares. Estudios de la toxicología de fibras naturales y artificiales condujeron a la idea de que lo que causaba los problemas era la persistencia de fibras en los pulmones. Por consiguiente, se llegó a la conclusión de que si las fibras pueden ser retiradas rápidamente de los pulmones se minimizaría el riesgo para la salud. Surgieron pues los conceptos de "fibras biopersistentes" y "biopersistencia". Las fibras que permanecen durante largo tiempo en el cuerpo de animales se consideran biopersistentes y el tiempo relativo que las fibras permanecen en el cuerpo del animal se conoce como biopersitencia. Aunque se sabía que varios sistemas vítreos eran solubles en los fluidos pulmonares, dando como resultado una baja biopersistencia, existía el problema de que dichos sistemas vítreos generalmente no eran útiles para aplicaciones a altas temperaturas. Se observó que el mercado necesitaba una fibra que tuviera una baja biopersistencia combinada con una capacidad de resistir altas temperaturas. En 1987 Johns Manville desarrolló dicho sistema basado en la química del silicato de calcio y magnesio. Dicho material no sólo tenía una capacidad a mayor temperatura que las lanas de vidrio convencionales, sino que también presentaba una mayor solubilidad en los fluidos corporales que las fibras de aluminosilicato utilizadas generalmente para aislamiento a altas temperaturas. Desde entonces se han desarrollado dichas fibras de baja biopersistencia y actualmente está en el mercado una amplia gama de fibras de silicatos de metales alcalinotérreos [abreviadamente en lo sucesivo de AES por la expresión inglesa Alkaline Earth Silicate]. Las patentes que se refieren a fibras de AES incluyen:
• La Solicitud de Patente Internacional Nº WO87/05007 -la solicitud original de Johns-Manville- que describía que las fibras que comprendían óxido de magnesio, sílice, óxido de calcio y menos del 10% en peso de alúmina son solubles en soluciones salinas. Las solubilidades de las fibras descritas se expresaban en partes por millón de silicio (extraído de la sílice contenida en el material de la fibra) presentes en una solución salina después de 5 horas de exposición.
• La Solicitud de Patente Internacional Nº WO89/12032 describía otras fibras solubles en solución salina y estudiaba algunos de los constituyentes que pueden estar presentes en dichas fibras.
• La Solicitud de Patente Europea Nº 0399320 describía fibras de vidrio que presentaban una alta solubilidad fisiológica y que contenían 10-20% en moles de Na2O y 0-5% en moles de K2O. Aunque se demostraba que estas fibras eran fisiológicamente solubles, no se indicaba su temperatura de uso máxima.
Otras memorias de patentes que describen una selección de fibras en cuanto a su solubilidad en una solución salina incluyen, por ejemplo, las patentes europeas 0412878 y 0459897, las francesas 2662687 y 2662688, la solicitudes de patentes internacionales WO86/04807, WO90/02713, WO92/09536, WO93/22251, WO93/15028, WO94/15883, WO97/16386, WO2003/059835, WO2003/060016, la patente europea EP1323687, las solicitudes de patentes internacionales WO2005/000754, WO2005/000971 y la patente de Estados Unidos 5250488.
La refractariedad de las fibras descritas en estos diversos documentos de la técnica anterior varía considerablemente y para estos materiales de silicatos de metales alcalinotérreos las propiedades son críticamente dependientes de su composición.
En general, es relativamente fácil producir fibras de silicatos de metales alcalinotérreos que se comporten bien a bajas temperaturas, puesto que para su uso a bajas temperaturas se pueden proporcionar aditivos, tales como óxido de boro, que garanticen buena formación de fibras y variar las cantidades de los componentes para conseguir las propiedades deseadas del material. Sin embargo, puesto que se busca aumentar la refractariedad de las fibras de silicatos de metales alcalinotérreos, el formulador se ve forzado a reducir el uso de aditivos, puesto que en general (aunque con excepciones) cuantos más componentes estén presentes menor es la refractariedad.
La solicitud de patente internacional WO93/15028 describía fibras que comprenden CaO, MgO, SiO2 y opcionalmente ZrO2 como constituyentes principales. Dichas fibras de AES cuando son de silicatos de calcio y magnesio se conocen también como fibras de CMS (por la expresión inglesa Calcium Mangnesium Silicate) o si además contienen zirconio se denominan fibras de CMZS (por la expresión inglesa Calcium Magnesium Zirconium Silicate). La solicitud de patente internacional WO93/15028 requería que las composiciones utilizadas estuvieran esencialmente libres de óxidos de metales alcalinos. Se demostró que cantidades de hasta 0,65% en peso eran aceptables para materiales adecuados para uso como aislamiento a 1000ºC.
La solicitud de patente internacional WO94/15883 describía varias de dichas fibras utilizables como aislamiento refractario a temperaturas de hasta 1260ºC o superior. Como con la solicitud WO93/15028, esta solicitud de patente requería que el contenido de óxido de metal alcalino se mantuviera bajo, pero indicaba que algunas fibras de silicatos de metales alcalinotérreos podían tolerar mayores niveles de óxido de metal alcalino que otras. Sin embargo, se sospechaba que niveles de 0,3% y 0,4% en peso de Na2O provocaban una mayor contracción de los materiales usados como aislamiento a 1260ºC.
La solicitud de patente internacional WO97/16386 describía fibras utilizables como aislamiento refractario a temperaturas de hasta 1260ºC o superior. Estas fibras comprendían MgO, SiO2 y opcionalmente ZrO2 como constituyentes principales. Se establece que estas fibras requieren sustancialmente óxidos de metales no alcalinos en cantidades no superiores a impurezas trazas (presentes a niveles de centésimas de un porcentaje calculado como máximo como óxido de metal alcalino). Las fibras tienen una composición general
comprendiendo los componentes MgO y SiO2 al menos 82,5% en peso de la fibra, siendo el resto los constituyentes nombrados y modificadores de la viscosidad.
La solicitud de patente internacional WO2003/059835 describe ciertas fibras de silicato de calcio en las que se usan La2O3 u otros aditivos de lantánidos para mejorar la resistencia de las fibras y de las mantas hechas de estas fibras. Esta solicitud de...
Reivindicaciones:
1. Fibras formadas por la técnica del sol-gel que comprenden en% en moles:
2. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 1, en las que Al2O3 + SiO2 está en el intervalo de 65% a 95%.
3. Fibras formadas por la técnica del sol-gel 1 o la reivindicación 2, en las que dicho uno o más óxidos de metales alcalinotérreos es CaO, SrO, o una de sus mezclas.
4. Fibras formadas por la técnica del sol-gel 3, en las que dicho uno o más óxidos de metales alcalinotérreos es CaO.
5. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 3 o 4, en las cuales la cantidad de CaO es menor que 20% en moles.
6. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 3, en las que dicho componente comprende adicionalmente óxido de magnesio.
7. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en las que las fibras son predominantemente cristalinas.
8. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en las que las fibras tienen un diámetro medio geométrico ponderado por la longitud de < 15 μm.
9. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 8, en las que las fibras tienen un diámetro medio geométrico ponderado por la longitud de < 6 μm.
10. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 9, en las que las fibras tienen un diámetro medio geométrico ponderado por la longitud de < 5 μm.
11. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 10, en las que las fibras tienen un diámetro medio geométrico ponderado por la longitud de 3
12. Fibras formadas por la técnica del sol-gel según la reivindicación 8, en las que las fibras tienen un diámetro medio geométrico ponderado por la longitud de > 6 μm.
13. Un cuerpo fibroso que comprende fibras formadas por la técnica del sol-gel según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
14. Un cuerpo fibroso según la reivindicación 13, que comprende adicionalmente fibras formadas a partir de masa fundida.
15. Un cuerpo fibroso según la reivindicación 14, en el que las fibras formadas a partir de masa fundida son o comprenden fibras de silicato de metales alcalinos.
16. Un cuerpo fibroso según la reivindicación 13, que comprende fibras formadas por la técnica sol-gel según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, mezcladas con fibras formadas por la técnica sol-gel según la reivindicación 12.
17. Aislamiento térmico que comprende fibras formadas por la técnica sol-gel según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
18. Aislamiento térmico según la reivindicación 17, en el cual SiO2 está presente en cantidades menores de 50% en moles.
19. Aislamiento térmico según la reivindicación 17 o 18, en el que el aislamiento térmico comprende óxidos de metales alcalinotérreos en una cantidad mayor de 18% en peso.
20. Aislamiento térmico según la reivindicación según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que el aislamiento térmico está en forma de una manta pinchada con agujas.
21. Un convertidor catalítico para un sistema de gases de escape o un filtro de partículas diésel, que comprende un cuerpo catalítico soportado directamente o indirectamente por un aislamiento térmico o un cuerpo fibroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
22. Un método de producir fibras por la técnica sol-gel que comprenden:
comprendiendo dicho método:
formar un sol que comprende precursores para óxido de aluminio, óxido de silicio y uno o más óxidos de metales alcalinotérreos y/o óxidos de metales alcalinos,
formar fibras a partir del sol, y
calentar las fibras resultantes a una temperatura superior a 900ºC.
23. Un método de producir fibras por la técnica del sol-gel según la reivindicación 22, en el cual la formación de las fibras por la técnica del sol-gel es por un proceso rotatorio en el cual es sol es lanzado desde un rotor y luego sometido a un chorro de gas que actúa secando y gelificando el sol para formar una fibra, y luego secar dichas fibras.
24. Un método según la reivindicación 22 o la reivindicación 23, en el que la fibras tienen un diámetro medio geométrico ponderado por la longitud de <15 μm.
25. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 24, en el que el calentamiento de las fibras tiene lugar a una temperatura superior a 1000ºC, preferiblemente superior a 1100ºC.
26. Una fibra formada por la técnica del sol-gel producida por el método de la reivindicación 22, y según la reivindicación 1, y que tiene una composición de anortita.
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