MXPA00002527A - Composicion de lana mineral con biosolubilidad y termoestabilidad incrementadas. - Google Patents

Abstract

Una composicion de fibras minerales que tiene caracteristicas de biosolubilidad incrementada, que comprende en porcentaje en peso: AL2O3 16 a 25;CaO 29%;SiO2 30 a 40;MgO 15;Hierro 5,seleccionado del grupo que consiste de Fe,Feo y Fe2O3;K22 >4; P2O5>0.8. La kdis de la composicion de fibra mineral esta en el intervalo de mas de 1000 (ng/cm2hr) a un ph de 4.5.

Description

COMPOSICIÓN DE LANA MINERAL CON BIOSOLÜBILIDAD Y TERMOESTABILIDAD INCREMENTADAS Campo Técnico y Antecedentes de la Invención Esta invención se relaciona con una formulación de fibras minerales adecuadas como aislamiento acústico y térmico. Una aplicación útil de la formulación de fibra mineral de acuerdo con las modalidades preferidas de la invención, está en la fabricación de tableros para techo acústicos. El material también es adecuado para utilizarse como aislamiento de relleno suelto en, por ejemplo, desvanes y paredes . Las fibras minerales deben ser lo suficientemente estables para soportar el procesamiento involucrado en la fabricación de los productos de aislamiento térmico y acústico, y exhibir aún niveles aceptables de solubilidad en sistemas biológi os. Las fibras minerales de acuerdo con las modalidades de la invención descritas en esta solicitud, se produce principalmente a partir de escoria. La escoria es un material vitreo no metálico que consiste principalmente de silicatos y aluminosilicatos de cal, magnesia y otras bases. Los cuatro principales óxidos de las escorias típicas son CaO (25-50% en peso) , Si02 (25-50% en peso) , MgO (2-25% en peso) y A1203 (5-20% en peso) . A menos que se especifique de otra manera, los porcentajes utilizados a lo largo de esta especificación son en por ciento en peso. La escoria se forma como un subproducto a partir de las operaciones de extracción de metal, y pueden por lo tanto recuperarse de los altos hornos para hierro, hornos para acero de corazón abierto, y fundidores de cobre, plomo y metales preciosos. La escoria generalmente se considera como una corriente de desecho con poca utilidad y por lo tanto como un producto con un valor relativamente bajo. Por lo tanto, puede proporcionar una fuente de materia prima muy efectiva en costo, si es procesable económicamente en un producto comercialmente viable. La escoria ha probado ser útil en. la producción de ciertas fibras vitreas hechas por el hombre, algunas veces llamadas "lana mineral" o de manera más específica "lana de escoria". Estos términos se utilizan de manera intercambiable en esta solicitud, y se refieren a la apariencia fibrosa, similar a la lana, enmarañada del producto. Las fibras minerales hechas por el hombre se hacen fundiendo una composición basada en escoria adecuada, para formar una "masa fundida", y a continuación soplar o hilar el material fundido con suficiente energía para causar que se transforme mecánicamente en fibras. La tecnología y conocimiento base para tal producción de fibras están bien establecidos. Los registros indican la producción de lana de escoria desde 1840 en Gales, y 1873 en los Estados Unidos. En una fibra de lana mineral estándar, la alúmina y el sílice forman los principales elementos de resistencia mecánica y unión. Los otros elementos actúan como fundentes que afectan la temperatura de fusión y el perfil de viscosidad de la fórmula. Cuando la viscosidad del material es baja, y la velocidad del flujo fundido es demasiado elevada, las fibras serán delgadas, y las propiedades excesivamente largas del material fallarán en formar fibras. En su lugar, algo de la masa fundida forma masas o bolas de material vitreo, referidas algunas veces como "granalla". Si la viscosidad fundida del material fundido es demasiado elevada, entonces las fibras resultantes serán gruesas y frágiles, y además, habrá una elevada proporción de granalla. Tanto la investigación teórica como empírica, ha determinado que ciertos materiales tienen un efecto en las propiedades de la lana mineral, y que variando los porcentajes de ciertos materiales de maneras particulares, puede afectar los parámetros de procesamiento y las propiedades del producto final ya sea de una manera benéfica o perjudicial. Por ejemplo, el Oxido de Calcio (CaO) , disminuye la viscosidad de la masa fundida, e incrementa la pendiente de la curva de temperatura a viscosidad. Un incremento .en la pendiente de la curva de temperatura contra viscosidad, es perjudicial para las propiedades del producto final. Generalmente, la pendiente de la curva de temperatura a viscosidad, vendría a ser relativamente plana. Si la viscosidad se eleva demasiado rápido con la temperatura, entonces es difícil de lograr el control del proceso. El Oxido de Aluminio (A1203) , incrementa la viscosidad de la masa fundida, y disminuye benéficamente la pendiente de la curva de temperatura contra viscosidad. La ductibilidad de la fibra también se mejora. El Oxido de Magnesio (MgO) , también incrementa la viscosidad dé" la masa fundida, y disminuye benéficamente la pendiente de la curva de temperatura contra viscosidad. El Oxido de Hierro (III) (Fe203) , disminuye la viscosidad de la masa fundida. El Dióxido de Silicón (Si02) incrementa la viscosidad de la masa fundida. Se agrega para equilibrar la fórmula y variar el punto de solidificación de las fibras. La composición aproximada en peso de los cuatro óxidos principales que constituyen la mayoría de las fibras de lana de escoria disponibles comercialmente son: Dióxido de Silicio (Si02) 38-45Í Oxido de Calcio (CaO) 28-38% Oxido de Aluminio (A1203) 9-14% Oxido de Magnesio (MgO) 2-12% Para lograr una viscosidad adecuada para la buena formación de fibras, se mezcla con la escoria el Si02, con frecuencia en la forma de grava o arenisca. Una medida utilizada frecuentemente para evaluar una composición que forma lana mineral fundida, es su "Relación A/B". "A" es la suma del porcentaje de Si02 y el porcentaje de A1203. " B" , es la suma del porcentaje de CaO y el porcentaje de MgO. Las fibras de lana de escoria con una relación A/B de 1.0 (es decir, porcentajes iguales de A y B) , se han desempeñado bien en algunas pruebas de biosolubilidad, y no tan bien en otras. Una relación A/B de 1.0, sin embargo, es demasiado baja, y la viscosidad de las masas fundidas que tienen tales relaciones A/B tienden a ser demasiado bajas para lograr buenos rendimientos de fibra, con sistemas de hilado del tipo de carrete. La lana de escoria con relaciones de A/B en el intervalo de 1.2 a 1.4 son más típicas, y estas no se han desempeñado bien en pruebas de biosolubilidad. Algunos otros tipos de fibras minerales producidas a partir de materias primas distintas de la escoria, han demostrado ser termoestables, y adecuadas para producir productos de tableros para techo acústicos, y se han desempeñado bien en pruebas de biosolubilidad. Estas fibras están formuladas típicamente de manera que tengan ya sea bajos porcentajes de A1203 (<4% en peso) o altos porcentajes de Al203 (>18% en peso), y bajo porcentaje de CaO (<29% en peso) . Estas formulaciones no pueden obtenerse fácilmente utilizando escoria como un material base, debido a la composición química inherente de la escoria. La biosolubilidad se considera generalmente como una cualidad benéfica en los productos tales como lana mineral. La biosolubilidad no se refiere a la disolución completa de las fibras dentro de un sistema biológico. En su lugar, la biosolubilidad se refiere a la habilidad de un organismo biológico para atacar, debilitar y finalmente expulsar la fibra del cuerpo. Cualquier tipo de fibra de un cierto tamaño, puede quedar atrapada en el pulmón, como resultado de inhalación de fibras arrastradas por el aire. Estas fibras son detectadas como extrañas para el organismo, y son atacadas por el fluido del pulmón (el cual tiene un pH de aproximadamente 7.4), y también por los macrófagos. Los macrófagos son una parte importante del mecanismo de defensa del cuerpo. Los macrófagos son células fagocíticas grandes encontradas en el bazo, nodulos linfáticos, hígado y muchos otros tejidos del cuerpo. Se desarrollan a partir de los monocitos, y se caracteriza por un núcleo en forma de herradura, y citoplasma no granular. Los macrófagos tienen un pH interno de. aproximadamente 4.5. Si los macrófagos son más pequeños que la fibra, varios de los macrófagos colectivamente rodean una fibra. El macrófago y los fluidos del pulmón atacan químicamente a la fibra, debilitándola. La fibra puede entonces ser rota en piezas, las cuales son transportadas por los macrófagos. Los macrófagos migran a la traquea, en donde son atrapados en la mucosa y expulsados del cuerpo en una flema al toser, o al- ser tragados y eliminados a través del tracto digestivo. La biosolubilidad puede evaluarse vía pruebas con animales, tales como aquéllas descritas en EU Directive 97/69/EC, o por pruebas in vitro, en fluidos biológicos simulados, tal como una solución de Gamble de pH 4.5. En general, para pasar las pruebas de EU Directive 97/69/EC, se requiere una solubilidad mayor de 100 Kdis (medido en ng/cm2*hr) . La invención de acuerdo con esta solicitud, resulta de una apreciación novedosa y de la aplicación de las interrelaciones entre varias de las partes constituyentes de la escoria, y como estas partes constituyentes pueden manipularse para producir una lana mineral, la cual tiene propiedades deseables y valiosas comercialmente, mientras que también tiene un grado de biosolubilidad relativamente elevado.

Breve Descripción de la Invención Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar una composición de lana mineral, la cual tenga biosolubilidad incrementada. Es otro objeto de la invención proporcionar una composición de lana mineral, la cual tenga termoestabilidad incrementada . Es otro objeto de la invención proporcionar una composición de lana mineral, la cual tenga propiedades las cuales la vuelvan adecuada para utilizarse en productos de aislamiento acústico y térmico. Es otro objeto de la invención proporcionar una composición de lana mineral, la cual no es cara de producir. Es otro objeto de la invención proporcionar un precursor basado en escoria para producir una composición de lana mineral, la cual logre los objetivos anteriores. La práctica de la invención involucra la formulación de compuestos, los cuales están basados en escoria de bajo costo, y los cuales son útiles en la preparación de fibras minerales termoestables, que también presentan buena biosolubilidad. La termoestabilidad y biosolubilidad simultáneas, se logran agregando alúmina en cantidades específicas a la escoria. La alúmina actúa para elevar la viscosidad del. compuesto fundido, permitiéndole ser fácilmente procesado en fibras, con rendimientos y propiedades similares a los logrados con los compuestos basados en escoria convencionales. Los altos niveles de alúmina en combinación con los niveles de CaO de >29%, permite la producción de fibra, las cuales son altamente solubles en fluidos biológicos, a un costo menor, que puede producirse utilizando sistema no basados en escoria. Aunque otros sistemas basados en materia prima extraída de minas, han mostrado buena biosolubilidad, esas composiciones son más caras de producir, debido al costo de la materia prima mayor, y a los requerimientos de energía. Estos y otros objetos de la presente invención se logran en las modalidades preferidas descritas posteriormente, proporcionando una composición de fibra mineral "que tiene biosolubilidad incrementada, que comprende porcentaje en peso: Al203 16 a 25 CaO >29 Si02 30 a 40 MgO <15 Hierro <5, seleccionado del grupo que consiste de Fe , FeO y Fe203 K20 <4 P2 20^5 <0 . 8 De manera preferida, la biosolubilidad de la composición de fibra mineral tiene una Kdis mayor que 1000 (ng/cm2*hr) . La determinación de la velocidad de disolución para estas fibras vitreas hechas por el hombre, se logró colocando primero la muestra de fibra caracterizada por tamaño entre - dos membranas de un filtro, de una celda de flujo. Una solución de Gamble modificada (pH ajustado a 4.5), se pone en contacto con las fibras. La pérdida de la masa para las fibras se obtiene por" un análisis del contenido de Si02 y A1203 del eluato. La velocidad de disolución se calcula de la pérdida de masa y de la distribución del diámetro de la muestra. La unidades de medición son nanogramos por centímetro cuadrado por hora (ng/cm2*hr) . De acuerdo a una modalidad preferida de la invención, el porcentaje en peso de A1203 es de entre 17 y 25. De acuerdo con otra modalidad preferida de la invención, el porcentaje del peso de A1203 es de entre 19 y 22.

De acuerdo con aún otra modalidad preferida de la invención, el porcentaje en peso del CaO es de al menos 30. De acuerdo con aún otra modalidad preferida de la invención, el porcentaje en peso del CaO es de al menos 31. De acuerdo con aún otra modalidad preferida de la invención, el porcentaje en peso de CaO + MgO es mayor que el porcentaje en peso de Si02. De acuerdo con aún otra modalidad preferida de la invención, el peso de A1203 es menor del 60 por ciento del peso total' de la composición de lana mineral. De acuerdo con aún otra modalidad preferida de la invención, el peso de Al203 y Si02 es menor que el 55 por ciento del p'e'so total de la composición de lana mineral. De acuerdo con aún otra modalidad preferida de la invención, se proporciona un precursor basado en escoria para la fabricación de una composición de lana mineral que tiene biosolubilidad y termoestabilidad mejorada. El precursor basado en escoria comprende escoria, bauxita, roca rica en sílice y una fuente de energía, en donde la composición de lana mineral producida del precursor, comprende el porcentaje en peso, los valores de acuerdo a las modalidades preferidas de las composiciones de lana mineral resultantes descritas en esta solicitud. La fuente de energía puede ser hulla o electricidad.

Descripción de las Modalidades Preferidas y el Mejor Modo El desarrollo de productos de lana mineral de acuerdo con la invención resultó en parte de las observaciones de la investigación, a las cuales soporta la teoría de que los altos niveles de óxidos básicos combinados, tales como CaO, MgO, Na20 y K20, causan que las fibras presenten una rápida disolución inicial. Si el compuesto de escoria del cual las fibras minerales se producen es demasiado básico, la viscosidad fundida probablemente será demasiado baja, haciendo difícil de hilar fibras de diámetro y durabilidad suficiente, para ser útiles en la fabricación de productos de aislamiento térmico y acústico, tales como tableros para techo. El Si02 con frecuencia se utiliza como un modificador de la viscosidad en el procesamiento de lana de escoria. Eleva la viscosidad fundida del compuesto fundido, y permite que la masa fundida sea hilada más fácilmente en fibras más gruesas, más adecuadas a utilizarse en la producción de productos de aislamiento térmico y acústico, tales como tableros para techo. Se ha mostrado que el sílice tiene un efecto negativo en la solubilidad de las fibras, y por lo tanto los niveles más altos de Si02 tipicamente se correlacionan con una biosolubilidad menor. Incrementando la concentración de A120 eleva la viscosidad fundida de las composiciones basadas en escorias fundidas. El nivel de Si02 de los compuestos puede reducirse, mientras que se mantiene aún una viscosidad que es adecuada para el hilado de fibras minerales buenas hechas por el hombre. El A120 es anfotérico. A su concentración típica (<14%), en las fibras de lana mineral, actúa como un óxido ácido. A concentraciones mayores, presenta las propiedades de un óxido básico. El Fe203 también puede afectar la morfología de la fibra de una manera similar al A1203/ de manera que la suma de éstos dos óxidos parece ser un factor que contribuye de manera significativa en el nivel de la biosolubilidad de la fibra. Los niveles más elevados de hierro, sin "embargo, tienden a tener un efecto negativo en el proceso de formación de la fibra, causando que la viscosidad de la masa fundida sea menor, por lo tanto haciendo el hilado de las fibras más difícil. Si los niveles de Si02 se mantienen bajos, entonces el nivel total de hierro debe controlarse también, típicamente a <5% en peso. Las patentes previas y otras descripciones han mostrado el efecto de tanto concentraciones de la composición elevadas y muy bajas de A1203 en la biosolubilidad de la fibra. Las composiciones biosolubles adecuadas que están comprendidas también de niveles muy altos de CaO (>29% en peso), no se han logrado hasta ahora.

Los solicitantes han logrado ahora composiciones descritas aquí, con >29% de CaO en combinación con altos niveles de A1203. Las fibras resultantes exhiben buena solubilidad y por lo tanto permiten el uso de la escoria como una fuente de materia prima. Se ha descubierto que agregando A1203 a las composiciones basadas en escoria, pueden crearse fibras específicas con propiedades adecuadas, de manera más efectiva que con otros medios conocidos actualmente. Los medios más efectivos en costo para este fin, hasta la fecha utilizan escoria, bauxita, y grava como los ingredientes constituyentes para estas composiciones. Dos" modalidades preferidas de la invención se muestran en las Tablas 1 y 2.

Tabla 1 * Tabla 1 (continuación) Tabla 2 Tabla 2 (continuación) Las lanas minerales producidas de acuerdo con las Tablas 1 y 2, tienen un contenido de sílice relativamente bajo, el cual reduce la entrada de energía requerida, y un contenido de hierro relativamente bajo, el cual produce un color verde claro/gris adecuado para la fabricación de tejas para techos acústicos blancas o ligeramente coloreadas . Las modalidades un poco menos satisfactorias del producto de lana mineral se muestran en las Tablas 3 y 4.

Tabla 3 Tabla 3 (continuación; Tabla 4 Tabla 4 (continuación) Los minerales de acuerdo con las Tablas 3 y 4 poseen biosolubilidad y termoestabilidad satisfactorias, pero el porcentaje relativamente alto de hierro causa que los productos tengan un color chocolate castaño oscuro, el cual crea dificultades en la producción de un producto con un color claro, tal como una teja para techo pero es adecuado para aplicaciones en donde se prefiere un color oscuro o en donde el color no es una consideración. Los productos de lana mineral de acuerdo con las Tablas 1, 2, 3 y 4 se producen cargando un horno de ladillos convencional con escoria, grava, bauxita y hulla. El material se calienta con una combinación de oxígeno y aire calentado a una temperatura de entre 1450 a 1480°C. El material forma una masa fundida en el fondo del horno de ladrillos, y se extrae a través de una abertura lateral. El material fundido es alimentado por gravedad a un aparato de lado del tipo de carro. Conforme el material fundido fluye fuera del horno de ladrillos, el material en lo alto del horno de ladrillos se mueve hacia abajo formando material fundido adicional. El proceso es continuo. Así, conforme el nivel de material basado en escoria en el horno de ladrillos cae, se agrega escoria, grava, bauxita y hulla en la parte superior del horno de ladrillos en los porcentajes requeridos. El material está de manera preferida en bloques del tamaño de un puño relativamente pequeños. Las piezas más pequeñas se empacan de manera muy cercana juntas y retardan el movimiento del aire sobrecalentado y el oxígeno a través de la masa conforme sea necesario para la distribución del calor uniforme. Las piezas más grandes tienen un área superficial total insuficiente, necesaria para una transferencia de calor suficiente en la masa del material. Aunque es deseable cargar el horno de ladrillos con una mezcla de estos materiales, también pueden agregarse en capas, puesto que el proceso de fusión tiende a mezclar los materiales. En cada caso, aproximadamente 140 a 170 Kg de hulla se utilizan por 1000 Kg de piedra fundible, y se agregan junto con los otros materiales conforme el horno de ladrillos se recarga. Por razones de control del costo, el porcentaje de Al03 debe mantenerse en < 23%. Se esperaría que el A1203 agregado solo mejorara la solubilidad de manera marginal, pero también elevaría los costos de la materia prima y los requerimientos de energía. El porcentaje combinado de CaO+MgO debe ser mayor que el de Si02, y debe caer entre 37 y 45%. Los porcentajes menores disminuyen la biosolubilidad y los porcentajes mayores reducen la viscosidad fundida, y por lo tanto crean dificultades en la formación de las fibras. Los porcentajes de Al203 y Si02 combinados, deben ser menores del 60% del peso total, de preferencia menos del 55%. El aparato de lado del tipo de carro, comprende una serie de rotores que giran rápidamente, los cuales imparten energía mecánica centrífuga al material fundido, suficiente para causar que se forme en fibras, conforme es aventado sobre la superficie giratoria de los rotores. Este proceso de' " formación de fibras es convencional en la técnica. La velocidad rotacional de los rotores varía de entre 2900 r.p.m. del primer rotor a 6400 para el último rotor, e? un sistema de 4 rotores, y afecta el diámetro de las fibras así producidas. El diámetro óptimo de la fibra está en el intervalo de 3 a 7 micrones, con diámetros en el intervalo general de 7 micrones, siendo el límite superior para las fibras con propiedades de procesamiento satisfactorias . La biosolubilidad se determinó utilizando metodologías de prueba desarrolladas en el Instituto Fraunhofer, como se muestra posteriormente en la Tabla 5.

Tabla 5 De acuerdo con la Tabla 5, La biosolubilidad de la muestra de la Tabla 2 es mejorada de manera significativa sobre las Muestras Comparativas. Nótese particularmente la comparación con la Muestra Comparativa No.4 (una lana de roca), y su biosolubilidad de 930 Kdis. La Muestra Comparativa No.4 se hizo de acuerdo con al descripción de la Especificación de Patente Europea EP 0 790 962. La correlación entre Kdis y las pruebas en animales de EU directive 97/69/EC se han publicado previamente. La termoestabilídad se demuestra probando con fuego tableros para techos de la lana mineral de acuerdo con la invención. Las pruebas que utilizan ASTM E 119, indicaron todas una flexión de 10-20 mm —un intervalo aceptable de valores que indican una "resistencia adecuada al fuego. Una composición de lana mineral se describe anteriormente. Varios detalles de la invención puede cambiarse sin apartarse de su alcance. Además, la descripción anterior de la modalidad preferida de la invención, y el mejor modo para practicar la invención, se proporcionan como propósito de ilustración solamente, y no para el propósito de limitación, la invención está definida por las reivindicaciones. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Claims (9)

CAPITULO REIVINDICATORÍO Habiéndose descrito la invención, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES :

1. Una fibra mineral que tiene termoestabilidad y biosolubilidad incrementadas, caracterizada porque comprende en porcentaje en peso: A1203 16 a 25 CaO >29% Si02 30 a 40 MgO <15 Hierro <5, seleccionado del grupo que consiste de Fe, FeO y Fe203 K22 <4 P2O5 <0.8

2. Una fibra mineral de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el porcentaje en peso de A1203 es de entre 17 y 25.

3. La fibra mineral de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el porcentaje en peso de A1203 es de entre 19 y 22.

4. La fibra mineral de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el porcentaje en peso de CaO es al menos 30.

5. 5. La fibra mineral de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizada porque el porcentaje en peso de CaO es al menos 31.

6. La fibra mineral de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizada porque el porcentaje en peso de CaO+MgO es mayor que el porcentaje en peso de Si02.

7." " La fibra mineral de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso de I2O3 y Si0 es menor que el 60% del peso total de la composición de lana mineral.

8. La fibra mineral de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizada porque el peso de A1203 y Si02 es menor que el 55% del peso total de la composición de lana mineral.

9. La fibra mineral de conformidad con la Reivindicación 1 , 2 , 3, 4, 5, 6, 7 u 8, caracterizada porque la biosolubilidad de la composición de fibra mineral es mayor de 1000 ng/cm2*hr a un pH de 4.5.