專利名稱：生產(chǎn)高強(qiáng)度和高模量纖維的玻璃組合物的制作方法
生產(chǎn)高強(qiáng)度和高模量纖維的玻璃組合物相關(guān)申請的交叉參考本申請要求美國臨時(shí)申請序列號61/360，188的優(yōu)先權(quán)和所有其他權(quán)益，在此通過參考將其全文引入。技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明一般地涉及玻璃組合物，和更特別地涉及高性能玻璃組合物，它擁有可接受的成形性能且其組分在耐火熔化器內(nèi)熔融。由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維擁有高的強(qiáng)度和改進(jìn)的模量，且可用于增強(qiáng)其中期望高強(qiáng)度、剛度和輕質(zhì)的復(fù)合基體。
背景技術(shù)：
由以特定比例結(jié)合的各種原材料制造玻璃纖維，以得到所需的化學(xué)組成。這一材料的集合常常稱為“玻璃配料(glass batch)”。為了形成玻璃纖維，典型地在熔化器或熔融裝置中熔融玻璃配料，將熔融的玻璃通過襯套(bushing)或孔板牽拉成長絲，并將含有潤滑劑、偶聯(lián)劑和成膜粘合劑樹脂的施膠組合物施加到長絲上。在施加施膠劑之后，纖維可聚集成一根或多根繩股并纏繞到包裝內(nèi)，或者，替代地可在濕的時(shí)候短切纖維，并收集。然后可干燥收集的短切繩股，并固化，形成干燥的短切纖維，或者它們可在其潮濕條件下以濕的短切纖維形式包裝。玻璃配料的組成和由它制造的玻璃典型地以各組分(它們主要以氧化物表達(dá))的百分?jǐn)?shù)表達(dá)。SiO2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3,和微量的其他化合物，例如TiO2, Li2O, BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5,氟，和SO3是玻璃配料的常見組分。可由改變這些氧化物的含量，或者省去玻璃配料中的某些氧化物，生產(chǎn)許多類型的玻璃。可生產(chǎn)的這些玻璃的實(shí)例包括R-玻璃，E-玻璃，S-玻璃，A-玻璃，C-玻璃，和ECR-玻璃。玻璃組合物控制玻璃的成形和產(chǎn)品性能。玻璃組合物的其他特征包括原材料的成本和環(huán)境影響。存在成形性能的獨(dú)特組合，所述成形性能允許玻璃在常規(guī)的耐火罐和玻璃分布體系內(nèi)熔融并分布。首先，玻璃在其下保持的溫度必須足夠低，以便沒有犧牲耐火材料?？赡芾缤ㄟ^超過耐火材料的最大使用溫度或者通過增加玻璃腐蝕和侵蝕耐火材料到不可接受的高程度時(shí)的速度，危害耐火材料。當(dāng)通過降低玻璃粘度，玻璃變得更加流動時(shí)，耐火材料的腐蝕速度強(qiáng)烈地增加。因此，為了在耐火罐內(nèi)熔融玻璃，耐火材料的溫度必須保持低于一定溫度和玻璃粘度(即，抗流動性)必須保持高于一定數(shù)值。在熔融單元內(nèi)以及在整個(gè)分布和成纖化工藝過程中，玻璃的溫度也必須足夠高到防止玻璃結(jié)晶化(即，它必須保持在比液態(tài)(Iiquidus)溫度高的溫度下)。在成纖器內(nèi)，常見的是要求成纖化所選擇的溫度(即，成形溫度)和玻璃的液態(tài)溫度之間的溫差最小。 這一溫差，AT，是在沒有產(chǎn)生被反玻璃化(devitrification)晶體引起的斷點(diǎn)干擾的纖維情況下，可如何容易地形成連續(xù)纖維的量度。因此，期望具有盡可能大的AT，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)和不受干擾的玻璃纖維形成。在探索具有較高最終性能的玻璃纖維中，有時(shí)犧牲AT，實(shí)現(xiàn)所需的最終性能。這一犧牲的結(jié)果是要求玻璃在鉬或鉬-合金為襯里的爐內(nèi)熔融，這或者是因?yàn)闇囟瘸^常規(guī)耐火材料的最大的最終使用溫度或者是因?yàn)椴ＡУ恼扯仁沟貌Ａw的溫度不可能保持高于液態(tài)溫度同時(shí)產(chǎn)生足夠高地保持耐火材料的腐蝕在可接受水平的玻璃粘度。S2-玻璃是其中發(fā)生這兩個(gè)現(xiàn)象的一個(gè)實(shí)例。S2-玻璃的熔融溫度對于常見的耐火材料來說太高，和Δ T非常小(或者為負(fù))，從而在比液態(tài)溫度高的玻璃溫度下，引起玻璃的流動性非常大，且對常規(guī)耐火材料的腐蝕性非常大。常規(guī)的R-玻璃也具有非常小的ΛΤ，因此在鉬或鉬-合金為襯里的熔化器內(nèi)熔融。因此，本領(lǐng)域需要高性能的玻璃組合物，它保持有利的機(jī)械和物理性能(例如，比模量和比拉伸強(qiáng)度)和成形性能(例如，液態(tài)溫度和成形溫度)，其中成形溫度足夠低且成形溫度和液態(tài)溫度之差足夠大到使得玻璃組合物中的各組分在常規(guī)的耐火罐內(nèi)熔融
發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種組合物，它包括含量為約69. 5 -約80. 0wt%的SiO2,含量為約5. O-約18. 5wt%的Al2O3,含量為O. O-約3. 0wt%的CaO,含量為約5. O-約14. 75wt%的MgO，含量為約3. 25-約4. 0wt%的Li2O,含量為O. O-約2. 0wt%的Na2O0此處所使用的措辭"wt%"擬定義為全部組合物的重量百分?jǐn)?shù)。在例舉的實(shí)施方案中，玻璃組合物不含或基本上不含B2O3和氟，盡管可小量地添加任何一種，以調(diào)節(jié)纖維化和成品玻璃性能且沒有負(fù)面影響性能，若維持低于百分之幾的話。此處所使用的基本上不含B2O3和氟是指在組合物內(nèi)存在的B2O3和氟的總量小于組合物的lwt%。在組合物內(nèi)存在的B2O3和氟的總量可以小于組合物的O. 5wt%或者小于組合物的O. 2wt%。或替代地，該組合物可任選地含有非故意添加的痕量的其他組分或雜質(zhì)。此外，該玻璃組合物的成形溫度(此處也稱為成形粘度或者纖維化溫度或者log3溫度)足夠低，以便在玻璃纖維的形成中，利用低成本的耐火熔化器，而不是常規(guī)的高成本鉬-合金為襯里的熔化器。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，使用耐火罐熔化器，生產(chǎn)由以上所述的組合物形成的連續(xù)玻璃纖維。通過利用由耐火磚形成的耐火罐，可降低與通過本發(fā)明組合物生產(chǎn)的玻璃纖維生產(chǎn)有關(guān)的制造成本?？墒褂迷摬ＡЫM合物，形成連續(xù)的玻璃繩股以供在其中要求高強(qiáng)度、剛度和低密度的應(yīng)用中使用。在本發(fā)明的再一實(shí)施方案中，提供由基體材料和采用以上所述的組合物形成的多根纖維形成的增強(qiáng)復(fù)合材料。基體材料可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何合適的熱塑性或熱固性樹脂，且包括熱塑性塑料，例如聚酯，聚丙烯，聚酰胺，聚對苯二甲酸乙二酯和聚丁烯，熱固性樹脂，例如環(huán)氧樹脂，不飽和聚酯，酚醛塑料，乙烯基酯樹脂和彈性體。聚合物樹脂可單獨(dú)或結(jié)合使用，形成最終的復(fù)合產(chǎn)品。在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方案中，提供形成高性能玻璃纖維的方法?？赏ㄟ^獲得原料成分和以合適的用量混合各組分，得到最終組合物所需的重量百分?jǐn)?shù)，形成該纖維。然后在常規(guī)的耐火熔化器內(nèi)熔融混合配料，并通過鉬-合金基襯套的孔隙牽拉，形成玻璃纖維。通過將單獨(dú)的長絲聚集在一起，形成玻璃纖維的繩股?？衫p繞該繩股，并以適合于打算應(yīng)用的常規(guī)方式進(jìn)一步加工。通過此處所述的形成玻璃纖維的任何方法，可獲得本發(fā)明的玻璃纖維。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維的液態(tài)溫度不大于約1510或約1500°C，log3溫度小于約1550°C和Λ T最多約250°C。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維的液態(tài)溫度不大于約1440。C，log3溫度小于約1410。C和Λ T最多約50。C。在另一實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維的原始纖維拉伸強(qiáng)度為約4200-約 5000MPa，模量為約 78-約 86 或 86. 5GPa，和密度為約 2. 35-約 2. 46g/cc。在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維的比模量為約
33.9MJ/kg -約 35. OMJ/kg 和比強(qiáng)度為約1. 74MJ/kg-約 2. 09MJ/kg。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，玻璃組合物擁有足夠低的成形粘度，和足夠大的Δ T，以便在玻璃纖維的形成中，利用低成本的耐火熔化器，而不是常規(guī)的高成本的鉬-合金為襯里的熔化器。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的纖維在較低的成本下形成，這是因?yàn)槿廴诓ＡЫM合物所需的能量輸入較低所致?？紤]隨后的詳細(xì)說明，本發(fā)明的前述和其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文中更加充分地呈現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式除非另有說明，此處所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解相同的含義。盡管可在本發(fā)明的實(shí)踐或測試中使用與此處所述的那些類似或相當(dāng)?shù)娜魏畏椒ê筒牧?，但在此描述了?yōu)選的方法和材料。此處引證的所有參考文獻(xiàn)，其中包括公布或相應(yīng)的美國或國外專利申請，授權(quán)的美國或國外專利，和任何其他參考文獻(xiàn)在此通過參考全文引入，其中包括引證的參考文獻(xiàn)中的所有數(shù)據(jù)，表格，附圖
，和正文。術(shù)語“組合物”和“配方”此處可互換使用。另外，措辭“本發(fā)明的玻璃組合物”和“玻璃組合物”可互換使用。 本發(fā)明涉及形成擁有改進(jìn)的強(qiáng)度、模量和低密度的連續(xù)玻璃纖維所使用的玻璃組合物。特別地，本發(fā)明涉及適合于制備具有優(yōu)良的模量值和低密度的玻璃纖維的玻璃組合物。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物擁有低的成形溫度和足夠大的ΛΤ，以允許使用低成本的耐火罐熔化器形成玻璃纖維，而不是由鉬形成的常規(guī)的高成本類似熔化器(paramelters)o令人驚奇地，已發(fā)現(xiàn)，這可在包括相對高含量SiO2的玻璃組合物內(nèi)，通過添加相對高含量Li2O,在沒有包括玻璃強(qiáng)度的情況下實(shí)現(xiàn)。通過利用由耐火磚形成的耐火罐，降低了與通過本發(fā)明組合物生產(chǎn)的玻璃纖維的生產(chǎn)有關(guān)的制造成本。另外，熔融玻璃組合物中各組分所需的能量小于熔融許多可商購的玻璃配方所需的能量。這一較低的能量要求也可降低與本發(fā)明玻璃有關(guān)的總的制造成本。此外，本發(fā)明的組合物保留了制造可商購的高性能玻璃纖維和由該玻璃纖維生產(chǎn)的纖維產(chǎn)品的能力。特別地，可利用使用本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維，形成既輕質(zhì)，又特別結(jié)實(shí)的復(fù)合產(chǎn)品。本發(fā)明的玻璃組合物包括表I中給出的重量百分?jǐn)?shù)范圍的下述組分。此處所使用的術(shù)語“重量百分?jǐn)?shù)”和“wt%”可互換使用，且是指表示基于全部組合物的重量百分?jǐn)?shù)(或wt%)。表I
權(quán)利要求
1.用于制備高強(qiáng)度、輕質(zhì)玻璃纖維的組合物，該組合物包括 含量為全部組合物重量約69. 5 -約80. 0wt%的SiO2, 含量為全部組合物重量約5. O-約18. 5wt%的Al2O3, 含量為全部組合物重量O. O-約3. 0wt%的CaO， 含量為全部組合物重量約5. O-約14. 75wt%的MgO， 含量為全部組合物重量約3. 25-約4. 0wt%的Li2O，和 含量為全部組合物重量O. O-約2. 0wt%的Na2O。
2.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中 Al2O3的存在量為全部組合物重量的約9. O-約15. 4% ;和 MgO的存在量為全部組合物重量的5. O-約10. 2%。
3.權(quán)利要求1或2的玻璃組合物，其中 Al2O3的存在量為全部組合物重量的約9. 5-約15. 3% JPMgO的存在量為全部組合物重量的 6. 9-約 10. 2%ο
4.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中 SiO2的存在量為全部組合物重量的約69. 5-約74. 5% ;和 Al2O3的存在量為全部組合物重量的約10. 30-約18. 5%。
5.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中 SiO2的存在量為全部組合物重量的約69. 5-約76. 5% ;和 Al2O3的存在量為全部組合物重量的約5. O-約15. 4%。
6.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中所述組合物基本上不含B2O3和氟。
7.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中所述組合物的八1'最多約2501。
8.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中所述組合物的AT為約100°C-約250°C。
9.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中所述組合物的log3溫度為約1255°C或約13000C -約 1550°C。
10.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中所述組合物的液態(tài)溫度不大于約1510°C。
11.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中在耐火罐熔化器內(nèi)熔融所述組合物中的各組分。
12.由權(quán)利要求1-11任何一項(xiàng)的組合物生產(chǎn)的連續(xù)高強(qiáng)度、輕質(zhì)玻璃纖維。
13.權(quán)利要求12的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的比模量為約33.9MJ/kg-約35. OMJ/kg，和比強(qiáng)度為約1. 74MJ/kg-約 2. 09MJ/kg。
14.權(quán)利要求13的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的比模量大于34.lMJ/kg且小于或等于約 35. OMJ/kg。
15.權(quán)利要求13或14的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的比強(qiáng)度大于2.01MJ/kg且小于或等于約2. 09MJ/kg。
16.權(quán)利要求12-15任何一項(xiàng)的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的原始纖維拉伸強(qiáng)度為約4200-約5000MPa，模量為約80-約86GPa，和密度為約2. 35-約2. 46g/cc。
17.形成連續(xù)高性能玻璃纖維的方法，該方法包括 提供含權(quán)利要求ι-1i任何一項(xiàng)的組合物的熔融玻璃組合物；和 將所述熔融玻璃組合物牽拉通過襯套內(nèi)的孔口，形成連續(xù)的玻璃纖維。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述玻璃纖維的比模量為約33.9MJ/kg-約35. OMJ/kg,和比強(qiáng)度為約1. 74MJ/kg-約2. 09MJ/kg。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述玻璃纖維的比模量大于34.lMJ/kg且小于或等于約35.OMJ/kgο
20.權(quán)利要求18或19的方法，其中所述玻璃纖維的比強(qiáng)度大于2.01MJ/kg且小于或等于約 2. 09MJ/kg。
21.權(quán)利要求17-20任何一項(xiàng)的方法，其中所述玻璃纖維的原始纖維拉伸強(qiáng)度為約4200-約5000MPa，模量為約80-約86GPa，和密度為約2. 35-約2. 46g/cc。
22.增強(qiáng)的復(fù)合產(chǎn)品，它包括 聚合物基體；和多根玻璃纖維，其中所述玻璃纖維由根據(jù)權(quán)利要求ι-1i任何一項(xiàng)的組合物生產(chǎn)，或者是根據(jù)權(quán)利要求12-16任何一項(xiàng)的玻璃纖維。
23.權(quán)利要求22的復(fù)合產(chǎn)品，其中所述聚合物基體是選自聚酯，聚丙烯，聚酰胺，聚對苯二甲酸乙二酯，聚丁烯及其結(jié)合物中的熱塑性聚合物。
24.權(quán)利要求22的復(fù)合產(chǎn)品，其中所述聚合物基體是選自環(huán)氧樹脂，不飽和聚酯，酚醛塑料，乙烯基酯樹脂及其結(jié)合物中的熱固性聚合物。
25.制備增強(qiáng)的復(fù)合產(chǎn)品的方法，該方法包括結(jié)合至少一種聚合物基體材料和權(quán)利要求12-16任何一項(xiàng)的多根玻璃纖維。
26.權(quán)利要求22-24任何一項(xiàng)的制備增強(qiáng)的復(fù)合產(chǎn)品的方法，該方法包括根據(jù)權(quán)利要求17-21任何一項(xiàng)的方法制備多根玻璃纖維，和結(jié)合所述多根玻璃纖維與至少一種聚合物基體材料。
27.權(quán)利要求1-11任何一項(xiàng)的組合物用于形成玻璃纖維的用途。
28.權(quán)利要求12-16任何一項(xiàng)的玻璃纖維或者根據(jù)權(quán)利要求17-21任何一項(xiàng)的方法制備的玻璃纖維用于形成增強(qiáng)的復(fù)合產(chǎn)品的用途。
29.權(quán)利要求28的用途，其中增強(qiáng)的復(fù)合產(chǎn)品是風(fēng)機(jī)葉片。
全文摘要
提供一種玻璃組合物，它包括含量為約69.5–約80.0wt%的SiO2，含量為約5.0-約18.5wt%的A12O3，含量為約5.0-約14.75wt%的MgO，含量為0.0-約3.0wt%的CaO，含量為約3.25-約4.0wt%的Li2O，和含量為0.0-約2.0wt%的Na2O。由本發(fā)明的組合物形成的玻璃纖維可用于其中要求高強(qiáng)度、高剛度和低重量的應(yīng)用中。這些應(yīng)用包括，但不限于在形成風(fēng)機(jī)葉片、裝甲板和航空結(jié)構(gòu)中使用的織造織物。
文檔編號C03C13/00GK103038184SQ201180037082
公開日2013年4月10日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者D·A·霍夫曼, P·B·麥金尼斯 申請人:Ocv智識資本有限責(zé)任公司