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61/394，177的優(yōu)先權(quán)和所有其他權(quán)益。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，和更特別地涉及擁有可接受的成形性能且其組分在耐火熔化器內(nèi)熔融的高性能玻璃組合物。由本發(fā)明的組合物形成的玻璃纖維擁有改進(jìn)的模量和低密度，且可用于增強(qiáng)其中期望高強(qiáng)度，剛度(stiffness)和輕質(zhì)的復(fù)合基體。
背景技術(shù)：
由以得到所需的化學(xué)組合物的特定比例結(jié)合的各種初級原料制造玻璃纖維。這一材料的統(tǒng)稱常常稱為“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內(nèi)熔融玻璃配料，通過套管(bushing)或孔板(orifice plate),將熔融玻璃拉伸成長絲(所得長絲也稱為連續(xù)玻璃纖維)，和施加含潤滑劑，偶聯(lián)劑和成膜粘合劑樹脂的施膠組合物到長絲上，在施加施膠劑之后，可將纖維聚集成一個(gè)或更多個(gè)繩股(strand)并在包裝內(nèi)纏繞，或者替代地可在濕的同時(shí)短切纖維并收集。然后可干燥所收集的短切繩股，并固化，形成干燥的短切纖維，或者可在濕的條件下以濕的短切纖維形式包裝它們。玻璃配料的組合物和由它制造的玻璃通常以各組分的百分?jǐn)?shù)形式表達(dá)且主要以氧化物形式表達(dá)。SiO2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3,和微量的其他化合物，例如TiO2, Li2O7BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5,氟和SO3是玻璃配料中的常見組分?？捎筛淖冞@些氧化物的用量，或者在玻璃配料內(nèi)省去一些此類氧化物，生產(chǎn)許多類型的玻璃?？缮a(chǎn)的這種玻璃的實(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初級原料成本和環(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，玻璃保持在其下的溫度必須足夠低，以便它沒有激進(jìn)地腐蝕(aggressively attack)耐火材料?？衫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無法接受的高程度時(shí)的速度，發(fā)生對耐火材料的腐蝕。當(dāng)通過降低玻璃粘度，使得玻璃更加成流體時(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(例如，抗流動(dòng)性)必須維持高于一定數(shù)值。在熔融單元內(nèi)以及在整個(gè)分布和纖維化工藝當(dāng)中，玻璃的溫度也必須足夠高，以防止玻璃結(jié)晶(即它必須保持高于液相溫度的溫度)。在成纖器中，常見的是要求纖維化所選溫度(即，成形溫度)和玻璃的液相溫度之間的溫差最小。這一溫差Λ T是可在沒有產(chǎn)生被反玻璃化(devitrification)晶體引起的斷點(diǎn)隔開的纖維的情況下，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Δ T，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△ T，以實(shí)現(xiàn)所需的最終性能。這一犧牲的結(jié)果是要求在鉬或鉬-合金為襯里的爐內(nèi)熔融玻璃，這或者因?yàn)樵摐囟瘸^常規(guī)耐火材料的最大最終 使用溫度或者因?yàn)椴ＡУ恼扯仁沟貌Ａw的溫度不可能保持高于液相溫度，同時(shí)產(chǎn)生足夠高的玻璃粘度，以保持耐火材料的腐蝕在可接受的水平下。S2-玻璃是其中這兩種現(xiàn)象均發(fā)生的一個(gè)實(shí)例。S2-玻璃的熔融溫度相對于普通的耐火材料來說太高，和△ T非常小(或?yàn)樨?fù))，從而在比液相溫度高的玻璃溫度下，引起玻璃非常容易流動(dòng)，且對常規(guī)耐火材料的腐蝕大。常規(guī)的R-玻璃也具有非常小的△ T，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，它保留有利的機(jī)械和物理性能(例如，比模量和拉伸強(qiáng)度)和成形性能(例如，液相溫度和成形溫度)，其中成形溫度足夠低，且成形與液相溫度之差足夠大，使得玻璃組合物中的各組分能在常規(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，所述組合物包括用量為約70.6-約 79.6wt% 的 SiO2,用量為約 10.0-18.5wt% 的 Al2O3,用量為約 10.0-約 19.0wt%的MgO，用量為約0.1-約5.0wt%的CaO，用量為0.0-約3.0wt%的Li2O,和用量為0.0-約3.0被％的似20。此處所使用的措辭〃wt%〃擬定義為全部組合物重量的百分?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，但可小量地添加它們中的任何一種，以調(diào)節(jié)纖維化和最終的玻璃性能，且沒有負(fù)面影響性能，若維持低于幾個(gè)百分點(diǎn)的話。此處所使用的基本上不含B2O3和氟是指所存在的B2O3和氟含量之和小于組合物的lwt%。所存在的B2O3和氟含量之和可以小于組合物的0.5wt%或者小于組合物的0.2wt%。另外，組合物可任選地含有痕量的其他組分或不是故意添加的雜質(zhì)。此外，玻璃組合物擁有足夠低的成形溫度(此處也稱為成形粘度，纖維化溫度或log3溫度)，使得在形成玻璃纖維中利用低成本的耐火熔化器，替代常規(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。通過使用由耐火磚形成的耐火罐，可降低由本發(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?？墒褂迷摬ＡЫM合物，形成其中要求高強(qiáng)度，剛度和低密度的應(yīng)用中使用的連續(xù)玻璃繩股。在本發(fā)明的再一實(shí)施方案中，提供由產(chǎn)品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。該基體材料可以是聚合物，且可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何合適的熱塑性或熱固性樹脂，且包括熱塑性材料，例如聚酯，聚丙烯，聚酰胺，聚對苯二甲酸乙二酯，和聚丁烯，和熱固性樹脂，例如環(huán)氧樹脂，不飽和聚酯，酚醛樹脂(phenolics),乙烯基酯(vinylesters)，和彈性體?？蓡为?dú)或結(jié)合使用聚合物樹脂,形成最終的復(fù)合產(chǎn)品。在本發(fā)明再一實(shí)施方案中，提供形成高性能玻璃纖維的方法?？赏ㄟ^獲得初級成分和以合適的用量混合各組分，得到所需重量百分?jǐn)?shù)的最終組合物，從而形成纖維。然后在常規(guī)的耐火熔化器內(nèi)熔融混合的配料，并通過鉬-合金基套管(bushings)的開口拉伸，形成玻璃纖維?？赏ㄟ^將單獨(dú)的長絲收集在一起，形成玻璃纖維的繩股?？衫p繞該繩股，并按照適合于打算應(yīng)用的常規(guī)方式進(jìn)一步加工?？赏ㄟ^此處描述的任何一種方法，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，本發(fā)明的組合物的液相溫度(Iiquidustemperature)不大于約1470或1420°C，log3溫度小于約1530°C，和Λ T最多約210°C。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，本發(fā)明的組合物的液相溫度(Iiquidustemperature)不大于約1470°C, log3溫度小于約1525。。，和Δ T最多約139。。。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維的初始纖維拉伸強(qiáng)度為約4150至約4960或5233MPa,模量為約80-約88GPa，和密度為約2.37-約2.51g/cc。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維的初始纖維拉伸強(qiáng)度為約4590-約5230或5232MPa,模量為約82.8-約87.4GPa,和密度為約2.39-約2.48g/
CCo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3.4X107J/kg 至約 3.6X107J/kg，和比強(qiáng)度為約 1.7X106J/kg 至約 2.0 或 2.14X106J/kg。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3.4X107J/kg 至約 3.56 或 3.6X107J/kg，和比強(qiáng)度為約 1.9X106J/kg 至約 2.1XlO6J/kg。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
3.40X107J/kg 至約 3.56X107J/kg，和比強(qiáng)度為約 1.85X106J/kg 至約 2.14X106J/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，以便在形成玻璃纖維中，利用低成本的耐火熔化器替代常規(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，在較低成本下形成由本發(fā)明組合物形成的纖維，這是因?yàn)槿廴诓ＡЫM合物所需的能量輸入較低?？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顯現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式除非另外定義，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)域的技術(shù)人員通常理解的相同含義。盡管可在本發(fā)明的實(shí)踐或測試中使用與此處描述的那些類似或相當(dāng)?shù)娜魏畏椒ㄅc材料，但此處描述了優(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)在此通過參考將它們每一篇全文引入，其中包括在所引證的參考文獻(xiàn)中列出的所有數(shù)據(jù)，表格，圖表，和文本。術(shù)語“組合物”和“配方”此處可互換使用。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)明涉及形成連續(xù)玻璃纖維使用的玻璃組合物，所述玻璃纖維擁有特別好的模量和低的密度。該玻璃組合物擁有低的成形溫度和足夠大的AT，以允許使用低成本的耐火罐熔化器形成玻璃纖維替代常規(guī)的由鉬形成的高成本的paramelter。通過使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。這種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)明的組合物保持制造商業(yè)上可接受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，使用本發(fā)明的組合物形成的玻璃纖維可用 于形成兼有輕質(zhì)和特別好強(qiáng)度的復(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
1.一種制備高強(qiáng)度玻璃纖維用的組合物，所述組合物包括: 用量為全部組合物重量的約70.6-約79.6wt%的SiO2，用量為全部組合物重量的約10.0-約18.5wt%的Al2O3,用量為全部組合物重量的約10.0-約19.0wt%的MgO，用量為全部組合物重量的約0.1-約5.0wt%的CaO，用量為全部組合物重量的0.0-約3.0wt%的Li2O,和用量為全部組合物重量的0.0-約3.0wt%的Na20。
2.權(quán)利要求1的組合物，其中: SiO2的存在量為全部組合物重量的約70.6-約73.55wt% ； Al2O3的存在量為全部組合物重量的約10.68-約18.5wt% ； MgO的存在量為全部組合物重量的約10.0-約15.62wt% ； CaO的存在量為全部組合物重量的約0.1-約1.7wt% ； Li2O的存在量為全部組合物重量的0.08-約3.0wt% ;和 Na2O的存在量為全部組合物重量的0.0-約3.0wt%。
3.權(quán)利要求1的組合物，其中: SiO2的存在量為全部組合物重量的約70.6-約73.0wt% ； Al2O3的存在量為全部組合物重量的約16.0-約18.5wt% ； MgO的存在量為全部組合物 重量的約10.0-約13.0wt% ； CaO的存在量為全部組合物重量的約0.1-約2.0wt% ； Li2O的存在量為全部組合物重量的0.0-約2.0wt% ;和 Na2O的存在量為全部組合物重量的0.0-約2.0wt%。
4.權(quán)利要求1的組合物，其中: SiO2的存在量為全部組合物重量的約70.85-約77.56wt% ； Al2O3的存在量為全部組合物重量的約10.0-約18.5wt% ； MgO的存在量為全部組合物重量的約10.0-約12.58wt% ； CaO的存在量為全部組合物重量的約0.1-約1.7wt% ； Li2O的存在量為全部組合物重量的0.0-約2.34wt% ;和 Na2O的存在量為全部組合物重量的0.0-約0.98wt%0
5.權(quán)利要求1的組合物，其中: SiO2的存在量為全部組合物重量的約70.6-約77.56wt% ； Al2O3的存在量為全部組合物重量的約10.0-約18.5wt% ； MgO的存在量為全部組合物重量的約10.0-約12.95wt% ； CaO的存在量為全部組合物重量的約0.1-約1.7wt% ； Li2O的存在量為全部組合物重量的0.08-約3.0wt% ;和 Na2O的存在量為全部組合物重量的0.0-約0.98wt%0
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ΛT為最多約139或210°C。
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log3溫度為小于約1525或1530°C或從約 1268°C到約 1525 或 1530°C。
9.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物，其中所述組合物的液相溫度不大于約1470°C。
10.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。
11.由前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的組合物生產(chǎn)的高強(qiáng)度玻璃纖維。
12.權(quán)利要求11的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的比模量為約3.40X107J/kg-約3.6X107J/kg，和比強(qiáng)度為約 1.7X106J/kg-約 2.0 或 2.14X106J/kgo
13.權(quán)利要求11或12的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的比模量為約3.40X107J/kg-約3.56X107J/kg，和比強(qiáng)度為約 1.85X106J/kg-約 2.14X106J/kgo
14.權(quán)利要求11-13任何一項(xiàng)的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的初始纖維拉伸強(qiáng)度為從約4150到約4960或5233MPa，模量為約80-約88GPa，和密度為約2.37-約2.51g/cc。
15.權(quán)利要求11-13任何一項(xiàng)的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維的初始纖維拉伸強(qiáng)度為從約4590到約5230MPa，模量為約82.8-約87.4GPa，和密度為約2.39-約2.48g/cc。
16.形成高性能玻璃纖維的方法，該方法包括: 提供含權(quán)利要求ι- ο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拉伸通過套管內(nèi)的開口，形成連續(xù)的玻璃纖維。
17.權(quán)利要求16的方法，其中玻璃纖維是權(quán)利要求11-15任何一項(xiàng)的高強(qiáng)度玻璃纖維。
18.一種增強(qiáng)的復(fù)合 產(chǎn)品，它包括: 聚合物基體；和 多根玻璃纖維，所述玻璃纖維由權(quán)利要求ι- ο任何一項(xiàng)的組合物生產(chǎn)或者是權(quán)利要求11-15任何一項(xiàng)的玻璃纖維。
19.權(quán)利要求18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。
20.權(quán)利要求18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，酚醛樹脂(phenolics),乙烯基酯(vinylester)及其結(jié)合物中的熱固性聚合物。
21.權(quán)利要求18-20任何一項(xiàng)的復(fù)合產(chǎn)品，它為風(fēng)片(windblade)形式。
全文摘要
提供一種玻璃組合物，它包括用量為約70.6-約79.6wt%的SiO2，用量為約10.0-18.5wt%的Al2O3，用量為約10.0-約19.0wt%的MgO，用量為0.1-約5.0wt%的CaO，用量為0.0-約35.0wt%的Li2O，和用量為0.0-約3.0wt%的Na2O。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。該玻璃纖維的比模量為約3.40X107J/kg-3.6X107J/kg。由本發(fā)明組合物形成的玻璃纖維擁有特別好的高模量和低密度，這使得它們尤其適合于在其中要求高強(qiáng)度，高剛度和低重量的應(yīng)用中，例如風(fēng)片和航空結(jié)構(gòu)體中。
文檔編號C03C13/06GK103228591SQ201180056844
公開日2013年7月31日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18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