Brevet FR2690438A1 — publié le 19931029

i FIBRES MINERALES SUSCEPTIBLES DE SE DISSOUDRE EN MILIEU PHYSIOLOGIQUE La présente invention concerne le domaine des fibres minérales; elle vise plus précisément des fibres minérales dont la composition est telle qu'elles se dégradent dès qu'elles sont en contact d'un milieu physiologique. L'isolation thermique et acoustique des bâtiments est souvent réalisée à partir de produits constitués pour l'essentiel de laine minérale, telle que la laine de roche. La configuration particulière des lieux à isoler conduit souvent les personnes chargées de la pose de ces produits à les découper sur place Cette opération provoque la rupture des fibres et, éventuellement, la dispersion de certaines d'entre elles dans l'atmosphère Il s'ensuit que, parfois, une fibre peut être inhalée accidentellement. Les utilisateurs sont sensibilisés à ce risque et il est souhaitable de leur proposer des produits fibreux de substitution qui, tout en présentant les propriétés d'iso- lation requises, sont facilement dissous par un tissu vivant Cette aptitude à la dissolution dans un organisme humain est généralement appréciée en mesurant la vitesse de dissolution des fibres dans une solution qui simule un fluide extracellulaire. La présente invention a pour objet des fibres minérales qui se dissolvent rapidement dans une telle solution, tout -2 - en conservant une bonne tenue mécanique lorsqu'elles sont soumises à la chaleur. Ce but est atteint grâce à des fibres dont la composi- tion comprend les constituants ci-après, dont la teneur est exprimée en pourcentage pondéral, selon les limitations définies comme suit Si O 2 52 à 65 % A 1203 O à 3,9 % Fe 2 03 0 à 7 % (fer total exprimé Ca O 16 à 35 % sous cette forme) Mg O 1 à 16 % Na 2 O + K 20 O à 6,5 % P 205 O à 5 % en considérant que ces compositions sont également définies par le fait que les teneurs de ces constituants respectent les relations suivantes: Na 2 O + P 205 > 2 % Fe 2 03 + A 1203 25 % D'après la présente invention, la présence d'oxydes alcalins, en particulier de Na 2 O, et/ou la présence de pentoxyde de phosphore dans la composition des fibres minérales définies précédemment, permet d'augmenter leur vitesse de dissolution dans une solution simulant un fluide extracellulaire. Par ailleurs, une teneur trop élevée en oxydes alca- lins, notamment en Na 2 O, est préjudiciable à une bonne tenue mécanique des fibres minérales selon l'invention lorsqu'elles sont soumises à la chaleur. Pour ces raisons les fibres minérales contiennent au moins 2 % en poids de Na 2 O et/ou de pentoxyde de phosphore, la somme des oxydes alcalins n'excédant pas 6,5 % en poids. Dans des limites préférées, la somme des oxydes alcalins est comprise entre 1 et 5 %. La silice est un constituant qui diminue la vitesse de dissolution des fibres Lorsque sa teneur pondérale est élevée, il est nécessaire de contrebalancer cet effet négatif en augmentant les constituants qui favorisent la dissolution des fibres, comme par exemple Na 20 Cette -3- augmentation a cependant une limite comme évoqué précédem- ment Pour cette raison, la teneur en Si O 2 ne doit pas excéder 65 %; elle est de préférence égale ou inférieure à 62 %. Les oxydes de fer, exprimés sous la seule forme Fe 2 03, ainsi que l'alumine jouent un rôle à l'égard de la vitesse de dissolution Un excès de l'un et/ou de l'autre diminue la vitesse de dissolution des fibres Une vitesse de dissolu- tion importante peut être conservée lorsque la somme des teneurs de ces deux oxydes demeure inférieure à 8 %, sous réserve que la teneur en alumine n'excède pas 3,9 %. Bien que ces oxydes ne soient pas indispensables dans les fibres selon l'invention, leur présence dans leur composition améliore leur tenue mécanique, conjointement avec l'addition d'oxydes alcalino-terreux. Ainsi les fibres minérales selon l'invention présentent une bonne tenue mécanique lorsqu'elles sont soumises à la chaleur grâce, en particulier, au fait que leur composition comprend de la chaux, de la magnésie et des oxydes de fer dans des proportions telles que la somme des teneurs de ces oxydes excède 25 %. Les avantages des fibres selon l'invention seront mieux appréciés ans la description détaillée suivante, illustrée de quelques exemples. Le tableau en annexe rassemble différentes compositions de fibres minérales correspondant à la définition de l'in- vention ainsi que quelques compositions données à titre d'éléments de comparaison. Les fibres correspondant à ces compositions ont été obtenues à partir d'un dispositif d'étirage par fluide, du type de ceux décrits dans les brevets US-A-3 532 479 et US-A-4 961 695. La répartition des diamètres des fibres testées, correspondant aux exemples No 1 à 8, est telle que 50 % d'entre elles présentent un diamètre inférieur respective- ment à 2,2 ym 2,5 p m 3,1 um 2,2 Mm 3,2 1 vm 3,7 jum - 3,7 pm 3,7 tim. L'aptitude de ces fibres à être dissoutes dans un milieu physiologique a été mesurée dans les conditions -4- expérimentales suivantes: deux cents milligrammes de fibres sont placées entre deux disques perforés, séparés par une bague circulaire Ces deux disques, d'un diamètre de 4,3 centimètres, sont recouverts d'un filtre en polycarbonate. Cet ensemble constitue une cellule de mesure à travers laquelle circule une solution simulant un fluide extracel- lulaire dont le débit est réglé par une pompe péristaltique. Ce débit est de 40 millilitres par jour, la durée du test étant de 42 jours La cellule et le flacon contenant la solution d'attaque sont maintenus à 370 C Après avoir traversé la cellule, la solution d'attaque est recueillie dans des bouteilles pour être analysée ultérieurement. Par analyse, on mesure la quantité de silice passée en solution; le poids de silice dissoute rapporté au poids de silice initialement présente dans la fibre donne un résultat en pourcent, qui est un bon indicateur de la capacité de la fibre testée à se dégrader en milieu physiologique. La solution d'attaque choisie a la composition o la teneur de chaque constituant est exprimée en g/l Mg Cl 2 6 H 20 0, 212 Na Cl 6,415 Na 2 HP 04 0,148 Na 2 SO 4 2 H 20 0,179 Ca Cl 2 4 H 20 0,318 Na HCO 3 2,703 (Na 2 tartrate) 2 H 20 0, 180 (Na 3 citrate) 5,5 H 20 0,186 Na lactate 0,175 Na pyruvate 0,172 Glycine 0,118 Par ailleurs, la tenue mécanique des fibres testées lorsqu'elles sont soumises à la chaleur a été mesurée dans les conditions suivantes: un échantillon cubique de fibres, qui présente une densité d'environ 100 kg/m 3, est placé dans un four tubulaire dont la montée en température, programmée, est de 5 degrés centigrades par minute L'affaissement de l'échantillon est mesurée par visée optique La température à laquelle le bloc présente un affaissement de 10 % a été retenue comme élément d'appréciation de la tenue mécanique -5- des fibres testées Les différents résultats concernant la dissolution des fibres testées et leur tenue mécanique sont exposés dans les tableaux en annexe. Les compositions servant d'éléments de comparaison correspondent aux exemples No 1 et 4 La première est une composition de basalte classique, dans laquelle les teneurs en oxydes de fer et en alumine sont élevées La seconde montre qu'un pourcentage élevé d'oxydes de fer, malgré l'absence d'alumine, limite considérablement la vitesse de dissolution des fibres. La composition correspondant à l'exemple No 2 illustre les fibres selon l'invention pour lesquelles la forte teneur en silice est compensée par l'addition de Na 2 O Si la vitesse de dissolution des fibres correspondantes est importante, leur tenue mécanique demeure inférieure à celle du basalte. Par rapport-à la précédente, les fibres dont la compo- sition correspond à l'exemple No 3 présentent une tenue mécanique légèrement améliorée, mais -une vitesse de disso- lution un peu plus faible, ceci étant dû à la teneur en oxydes de fer Cette vitesse de dissolution demeure toute- fois beaucoup plus grande que celle des fibres dont la composition correspond à l'exemple No 4. Parmi les fibres répondant à la définition générale de l'invention exposée précédemment, celles qui présentent un bon compromis entre les vitesses de dissolution et les tenues mécaniques les plus élevées sont celles dont la teneur en Si O 2 est compris entre 52 et 62 %, la teneur en magnésie étant au moins égale à 5 % et la teneur en oxydes alcalins comprise entre 1 et 5 %. La vitesse de dissolution d'une fibre, dont la compo- sition correspond à l'exemple No 3, peut être encore fortement augmentée, en maintenant, voire même en améliorant sa tenue en température C'est ce que montre les caracté- ristiques des fibres dont la composition correspond à l'exemple No 5. Les fibres selon l'invention comprennent avanta- geusement une teneur en Si O 2 comprise entre 52 et 58 %, la somme des teneurs en Ca O, Mg O et Fe 2 03 étant alors égale ou -6- supérieure à 35 %, la teneur en Ca O demeurant supérieure à % Ces fibres présentent une température correspondant à un affaissement de 10 % au moins égale à celle du basalte. Les compositions de ces fibres sont illustrées par les exemples No 6 à 10. Parmi ces fibres, celles dont la composition comprend du pentoxyde de phosphore présentent une vitesse de disso- lution généralement élevées Les compositions de ces fibres sont illustrées notamment par les No 6 à 8 et 10. Parmi les fibres de l'invention répondant à la défini- tion générale de l'invention, une catégorie de compositions préférées, correspond à celles définies par une teneur en pentoxyde de phosphore compris entre 1 et 4 %. Les verres selon l'invention peuvent être transformés en fibres à partir de dispositifs de centrifugation externe connus, comme ceux décrits par exemple dans les brevets US-A-2 663 051, EP-A-0 167 508 ou FR-A-2 609 708. Les fibres ainsi obtenues permettent d'obtenir des produits fibreux d'excellente qualité aptes à de nombreuses applications Ainsi par exemple, les fibres selon l'inven- tion sont avantageusement utilisées sous la forme de pan- neaux géométriquement bien définis, rigidifiés par un liant polymérisé, ou sous la forme de produits tubulaires destinés à isoler les canalisations Les fibres selon l'invention peuvent être utilisées également sous forme de matelas cousus sur du carton ou du grillage métallique, sous forme de bourrelet, ou même en vrac par remplissage. TABLEAU N l Compositions en pourcentages pondéraux ex ex ex ex ex ex ex ex ex ex Constituants n l n 2 n 3 n 04 n 5 ' n 06 n 7 n 8 n 9 n 10 Si O 2 46,5 64,5 61,4 60,1 58,5 56,2 56,7 53,2 55,5 57,2 Fe 203 12,5 0,43 6,1 12,5 6 0,27 0,2 2,6 3 0,3 A 1203 13,40 0,77 0,2 0,3 0,2 3 3,1 3,5 3 3,8 Ca O 10,6 19,4 18,6 11,7 18,4 29,1 21,5 27,8 29,6 25 Mg O 9,40 8,5 8,8 7,9 9 6,5 15,2 6,6 6,5 10 Na 20 3,10 6 4, 5 4,6 4,5 1,1 0,03 2,1 1,1 0,3 K 20 1,4 0,1 0,2 0,1 0,1 0,6 0,04 0,59 0,6 0,16 P 205 0,43 0,15 0,1 0,1 3,1 3 3 3,1 0,1 3 Ti O 2 2,65 0,1 0,05 2,7 0,1 0,15 0,14 0,37 0,5 0,17 v f 1 (O' o, Oa TABLEAU N 2 Quantité de Si O 2 dissoute (en pourcents) Temps ex ex ex ex ex x ex x ex exe x ex d'attaque: n l n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 n 7 n 8 n 9 n 10 42 jours 3,5 27 21,9 7,5 36,3 37,2 30,3 31,2 14 27 TABLEAU N 3 Températures correspondant à un affaissement de 10 % (en C) l CO l (O ID Oa 9 - REVENDICATIONS 1 Fibre minérale susceptible de se dissoudre dans un milieu physiologique, caractérisée en ce qu'elle comprend: Si O 2 52 à 65 % A 1203 O à 3,9 % Fe 203 O à 7 % Ca O 16 à 35 % (fer total exprimé Mg O 1 à 16 % sous cette forme) Na 20 + K 20 O à 6,5 % P 205 O à 5 % en considérant que ces compositions sont également définies par le fait que les teneurs de ces constituants respectent les relations suivantes: Na 20 + P 205 > 2 % Fe 203 + A 1203 25 % 2 Fibre minérale selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comprend les constituants ci-après selon les proportions pondérales suivantes: Si O 2 52 à 62 % A 1203 O à 3,9 % Fe 203 O à 7 % (fer total exprimé Ca O 16 à 35 % sous cette forme) Mg O 5 à 16 % Na 20 + K 20 1 à 5 % P 205 O à 5 % 3 Fibre minérale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend: Si O 2 52 à 58 % avec Ca O + Mg O + Fe 203 > 35 % sachant que Ca O > 20 % 4 Fibre minérale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que sa teneur en pentoxyde de phosphore est comprise entre 1 et 4 %. 5 Produit destiné à l'isolation thermique et/ou acoustique constitué de fibres minérales, caractérisé en ce que lesdites fibres présentent une composition chimique telle que définie par l'une quelconque des revendications précédentes.