Hilos de vidrio aptos para reforzar materiales orgánicos y/o inorgánicos.

Hilo de vidrio de refuerzo cuya composición comprende los siguientes constituyentes en los límites definidosa continuación,

expresados en porcentajes en peso:

Si02 50-65%

AI,03 12-20%

CaO 12-17%

MgO 6-12%

CaO/MgO :52, preferiblemente ≥ 1,3Li20 0,1-0,8%, preferiblemente :50,6%

BaO+SrO 0-3%

B20 3 0-3%

Ti02 0-3%

Na2O+K2O

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2005/051090.

Solicitante: OCV INTELLECTUAL CAPITAL, LLC.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: ONE OWENS CORNING PARKWAY TOLEDO, OH 43659 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: BERTHEREAU, ANNE, LECOMTE,EMMANUEL.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C03C3/091 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C03 VIDRIO; LANA MINERAL O DE ESCORIA.C03C COMPOSICION QUIMICA DE LOS VIDRIOS, VIDRIADOS O ESMALTES VITREOS; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DEL VIDRIO; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DE FIBRAS O FILAMENTOS DE VIDRIO, SUSTANCIAS INORGANICAS O ESCORIAS; UNION DE VIDRIO A VIDRIO O A OTROS MATERIALES.C03C 3/00 Composiciones para la fabricación del vidrio (cargas de mezclas vitrificables C03C 6/00). › que contienen aluminio.

PDF original: ES-2405941_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Hilos de vidrio aptos para reforzar materiales orgánicos y/o inorgánicos Sector de la técnica La presente invención se refiere a hilos (o ''fibras'') de vidrio "de refuerzo", es decir aptos para reforzar materiales orgánicos y/o inorgánicos y que pueden usarse como hilos textiles, siendo estos hilos susceptibles de obtenerse mediante el procedimiento que consiste en estirar mecánicamente flujos de vidrio fundido que fluyen desde orificios dispuestos en la base de una hilera, generalmente calenltada por efecto de Joule.

La presente invención se refiere de manera más específica a hilos de vidrio que tienen un módulo de Young específico elevado y que presentan una composición cuaternaria del tipo Si02-AI20 3-CaO-MgO particularmente ventajosa.

Estado de la técnica

El campo de los hilos de vidrio de refuerzo es un campo muy particular de la industria de vidrio. Estos hilos se elaboran a partir de composiciones de vidrio específicas, teniendo el vidrio usado que poder estirarse en forma de filamentos de algunos micrómetros de diámetro según el procedimiento indicado anteriormente y teniendo que permitir la formación de hilos continuos aptos para cumplir un papel de refuerzo.

En ciertas aplicaciones, concretamente aeronáuticas, se busca obtener piezas de gran dimensión aptas para funcionar en condiciones dinámicas y que en consecuencia son aptas para resistir tensiones mecánicas elevadas. Con la mayor frecuencia, estas piezas son a base de materiales orgánicos y/o inorgánicos y de un refuerzo, por ejemplo, en forma de hilos de vidrio, que ocupa en general más del 50% del volumen.

La mejora de las propiedades mecánicas y del rendimiento de tales piezas pasa por una mejora de los rendimientos mecánicos del refuerzo, concretamente del módulo de Young específico.

Las propiedades del refuerzo, en este caso de los hilos de refuerzo de vidrio, están gobernadas principalmente por la composición del vidrio que los constituye. Los hilos de vidrio más conocidos para reforzar materiales orgánicos y/o inorgánicos están constituidos por vidrio E o R.

Los hilos de vidrio E se emplean habitualmente para formar refuerzos, o bien como tales o bien en forma de ensamblajes organizados tales como tejidos. Las condiciones en las que el vidrio E puede fibrizarse son muy ventajosas: la temperatura de trabajo correspondiente a la temperatura a la cual el vidrio tiene una viscosidad próxima a 1000 paises es relativamente baja, del orden de 1200ºC, la temperatura del líquidus es aproximadamente 120°C inferior a la temperatura de trabajo y su velocidad de desvitrificación es baja.

La composición de vidrio E definida en la norma ASTM [) 578-98 para aplicaciones en los campos de la electrónica y de la aeronáutica es la siguiente (en porcentajes en peso) : del 52 al 56% de Si02; del 12 al 16% de Ab0 3; del 16 al 25% de CaO; del 5 al 10% de 820 3; del O al 5 de MgO; del O al 2% de Na20 + K20; del O al 0, 8% de Ti02; del 0, 05 al 0, 4% de Fe20 3; del O al 1 % de F2

Sin embarg0el vidrio E en masa presenta un módulo de Young específico relativamente bajo, del orden de 33 MPa/kg/m .

En la norma ASTM [) 578-98 se describen otros hilos de refuerzo de vidrio E, eventualmente sin boro. Estos hilos tienen la siguiente composición (en porcentajes en peso) : del 52 al 62% de Si02; del 12 al 16% de Ab0 3; del 16 al 25% de CaO; del O al 10% de 820 3; del O al 5 de MgO; del O al 2% de Na20 + K20; del O al1 , 5% de Ti02; del 0, 05 al 0, 8% de Fe20 3; del Oal 1 % de F2

Las condiciones de fibrización del vidrio E sin boro son peores que las del vidrio E con boro, pero no obstante siguen siendo económicamente aceptables. El módulo de Young específico permanece a un nivel de rendimiento equivalente al del vidrio E.

También se conoce a partir del documento US 4 199 364 un vidrio económico, sin boro y sin flúor, que presenta propiedades mecánicas, concretamente en cuanto a resistencia a la tracción, comparables a las del vidrio E.

La patente US 3 892 581 describe fibras de vidrio que presentan una resistencia a la tracción mejorada con respecto a los hilos de vidrio E.

El vidrio R en masa se conoce por sus buenas propiedades mecánicas, concretamente con respecto al módulo de Young específico que es del orden de 33, 5 MPa/Kg/m3 En cambio, las condiciones de fusión y fibrización son más restrictivas que para los vidrios de tipos E mencionados anteriormente, y por lo tanto su coste final es más elevado.

La composición de vidrio R se facilita en el documento FR-A-1 435073. Es la siguiente (en porcentajes en peso) : del 50 al 65% de Si02; del 20 al 30% de Ab0 3; del 2 al 10'% de CaO; del 5 al 20% de MgO; del 15 al 25% de CaO + MgO; Si02/AI20 3 =de 2 a 2, 8; MgO/Si02 < 0, 3.

Se han realizado otros intentos de aumentar la resistencia mecánica de los hilos de vidrio, pero generalmente en detrimento de su aptitud para la fibrización , volviéndose entonces la puesta en práctica más difícil o imponiendo tener que modificar las instalaciones de fibrización existentes.

Existe por lo tanto la necesidad de disponer de hilos de vidrio de refuerzo que tengan un coste lo más próximo posible al del vidrio E y que presenten propiedades mec{micas a un nivel de rendimiento comparable al del vidrio R.

Objeto de la invención La presente invención tiene como objetivo proporcionar tales hilos de vidrio de refuerzo que combinen las propiedades mecánicas del vidrio R, en particular a nivel del módulo de Young específico, y propiedades de fusión y fibrización mejoradas que se aproximen a las del vidrio E.

Este objetivo se logra gracias a los hilos de vidrio cuya composición comprende los siguientes constituyentes en los límites definidos a continuación, expresados en porcentajes en peso:

Si02 50-65%

AI20 3 12-20%

CaO 12-17%

MgO 6-12%

CaO/MgO :>2, preferiblemente ;:::1, 3

Li20 0, 1-0, 8%, preferiblemente :>0, 6%

8aO+SrO 0-3%

20 3 0-3%

Ti02 0-3%

Na20+K20 <2%

F2 0-1%

Fe20 3 <1%.

La sílice Si02 es uno de los óxidos que forma la red de los vidrios según la invención y desempeña un papel esencial para su estabilidad. Dentro del contexto de la invención, cuando la tasa de sílice es inferior al 50%, la viscosidad del vidrio se vuelve demasiado baja y aumentan los riesgos de desvitrificación durante la fibrización. Más allá del 65%, el vidrio se vuelve demasiado viscoso y difícil de fundir. Preferiblemente, la tasa de sílice está comprendida entre el 58% Yel 63%.

La alúmina AI203 también constituye un formador de la red de los vidrios según la invención y desempeña un papel esencial con respecto al módulo, combinada con la sílice. Dentro del contexto de los límites definidos según la invención, la disminución del porcentaje de este óxido por debajo del 12% conlleva una disminución del módulo de Young específico y contribuye a aumentar la velocidad de desvitrificación máxima, mientras que un aumento demasiado grande del porcentaje de este óxido más all, 3 del 20% conlleva riesgos de desvitrificación y un aumento de la viscosidad. Preferiblemente, el contenido de alúmina en las composiciones seleccionadas está comprendido entre el 13 yel 18%. De manera ventajosa, la suma de los contenidos de sílice y alúmina es superior al 70% y aún mejor superior al 75%, lo que permite obtener valores interesantes del módulo de Young específico.

La cal CaO permite ajustar la viscosidad y controlar la desvitrificación de los vidrios. El contenido de CaO está preferiblemente comprendido entre el 13 y el 15%.

La magnesia MgO, al igual que CaO, desempeña el papel de fluidificante y también tiene un efecto beneficioso sobre el módulo de Young específico. El contenido de MgO está comprendido entre el 6 y el 12%, preferiblemente entre el 7 yeI9% .

La razón en peso de CaO/MgO resulta esencial para controlar la desvitrificación. Los inventores han identificado que una razón de CaO/MgO inferior o igual a 2, preferiblemente superior a 1, 3, permite favorecer la cristalización del vidrio en varias fases (anortita: CaO.AI20 3.2Si02 y diópsido: CaO.Mg0.2Si02, incluso forsterita: 2MgO.Si02 o enstatita: MgO.Si02) que entran en competición por crecer a expensas de la fase líquida. Esta competición tiene como efecto limitar la velocidad de crecimiento máxima de las fases cristalinas, por lo tanto disminuir el riesgo de desvitrificación del vidrio, y permitir la fibrización en buenas condiciones.

Otros óxidos de metales alcalinotérreos, por ejemplo BaO y SrO, pueden estar presentes en la composición de vidrio. El contenido total de estos óxidos se mantiene inferior al 3%,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Hilo de vidrio de refuerzo cuya composición comprende los siguientes constituyentes en los limites definidos a continuación, expresados en porcentajes en peso:

Si02 50-65%

AI20 3 12-20% CaO 12-17% MgO 6-12% CaO/MgO :'>2, preferiblemente <':1, 3

Li20 0, 1-0, 8%, preferiblemente :'>0, 6%

8aO+SrO 0-3% 8 20 3 0-3% Ti02 0-3% Na20+K20 <2%

F2 0-1%

Fe20 3 <1%; comprendiendo dicha composición un contenido de AI203+MgO+Li20 superior o igual al 23%.

2. Hilo de vidrio según la reivindicación 1, caracterizado porque la composición comprende un contenido de Si02+A120 3 superior al 70%.

3. Hilo de vidrio según la reivindicación 2, caracterizado porque la composición comprende un contenido de Si02+A120 3 superior al 75%.

4. Hilo de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la composición presenta una razón en peso de AI20 d (AI20 3+CaO+MgO) que varia de 0, 40 a 0, 44.

5. Hilo de vidrio según la reivindicación 4, caracterizado porque la composición presenta una razón en peso de AI20 3/ (AI20 3+CaO+MgO) que varia de 0, 40 a 0, 42.

6. Hilo de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la composición comprende los 45 siguientes constituyentes:

Si02 58-63%

AI20 3 13-18% CaO 12, 5-15% MgO 7-9%

CaO/MgO 1, 5-1 , 9 Li20 0, 1-0, 5% 8aO+SrO 0-1%

20 3 0-2% Ti02 0-0, 5% 65 Na20+K20 <0, 8%

0-1% <0, 5% .

7. Hilo de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque está libre de B20 3 o F2.

8. Ensamblaje de hilos de vidrio, concretamente en forma de tejido, caracterizado porque comprende hilos de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Composición de hilos de vidrio y material (es) orgánico (s) ylo inorgánico (s) , caracterizada porque comprende hilos de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 7.

10. Composición de vidrio adaptada a la realización de hilos de vidrio de refuerzo, que comprende los siguientes constituyentes en los límites definidos a continuación, expresados en porcentajes en peso:

Si0.

5. 63% AI20 3 12-20% CaO 12-17% MgO 6-12% CaO/MgO :>2, preferiblemente <':1, 3

Li20 0, 1-0, 8%, preferiblemente :>0, 6% BaO+SrO 0-3%

B20 3 0-3% Ti02 0-3% Na20+K20 <2%

F2 0-1% Fe20 3 <1% y que comprende un contenido de AI20 3+MgO+Li20 superior o igual al 23%.

. Composición según la reivindicación 10, caracterizada porque presenta un intervalo de formación (T (logr¡=3) -Tliquldus) superior a 50"C. 45 12. Composición según la reivindicación 10, caracterizada porque comprende los siguientes constituyentes: Si0.

5. 63% Ab0 3 13-18% CaO 12, 5-15% MgO 7-9% 55 CaO/MgO 1, 5-1, 9 Li20 0, 1-0, 5% BaO+SrO 0-1% B20 3 0-2%

Ti02 0-0, 5% 65 Na20+K20 <0, 8%


 

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