在具有耐火材料襯里的熔爐中制造高性能玻璃纖維的方法及用該方法制成的纖維的制作方法
【專利說明】在具有耐火材料襯里的熔爐中制造高性能玻璃纖維的方法 及用該方法制成的纖維
[0001] 本申請是申請日為2006年10月31日，名稱為"在具有耐火材料襯里的熔爐中制 造高性能玻璃纖維的方法及用該方法制成的纖維"的中國專利申請200680041104. 0的分案 申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種制造連續(xù)玻璃纖維的方法及采用該方法制成的纖維，該纖維可在 高強(qiáng)度應(yīng)用中使用。
【背景技術(shù)】
[0003] 用于制造連續(xù)玻璃纖維原絲（glass fiber strand)的最常用玻璃組合物為 "E-玻璃"(E-Glass)。E-玻璃的液相線溫度約為2100°F (1149°C)或者更低，E-玻璃的一 個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它的液相線溫度允許生產(chǎn)玻璃纖維的操作溫度為約1900 °F至2400 °F (1038°C 至1316°C)。對于在印刷電路板和航空應(yīng)用中使用的E-玻璃纖維紗，美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會 (ASTM)分類中定義該組合物為：52至56wt% Si02、16至25wt% Ca0、12至16wt%Al203、5 至1(^七％8203、0至5￥七％]\%0、0至2￥七％似 20和1(20、0至0.8￥七％1102、0.05至0.4￥七％ Fe2O3和0至1.0 wt%氟。
[0004]無硼纖維以商標(biāo)ADVANTEX (Owens Corning, Toledo, Ohio, USA)出售。無硼纖維， 如同在此整體引用的美國專利No. 5, 789, 329所公開的，其在操作溫度上提供了一個(gè)超過 了含硼的E-玻璃的顯著進(jìn)步。無硼玻璃纖維被歸入ASTM定義的普遍使用的E-玻璃纖維 中。
[0005] S-玻璃為一族主要由鎂、鋁和硅的氧化物組成的玻璃，采用其化學(xué)成分生產(chǎn)的玻 璃纖維具有比E-玻璃纖維更高的機(jī)械強(qiáng)度。用于形成S-玻璃的組合物包含大約65wt% Si02、25wt% Al2O3和10wt%MgO。S-玻璃的組成最初被設(shè)計(jì)為在高強(qiáng)度的應(yīng)用中使用， 如：防彈裝甲。
[0006] R-玻璃為一族主要由硅、鋁、鎂和鈣的氧化物組成的玻璃，采用其化學(xué)成分生產(chǎn)的 玻璃纖維具有比E-玻璃纖維更高的機(jī)械強(qiáng)度。R-玻璃的組成包括大約58-60wt% Si02、 23.5-25.5wt% Al203、14-17wt%CaO加Mg0、0% B203、0% F2和少于2wt%的雜質(zhì)組分。 R-玻璃包含比E-玻璃更多的氧化鋁和氧化硅，在纖維形成過程中需要更高的熔化和處理 溫度。典型地，R-玻璃的熔化和處理溫度至少高于E-玻璃的相應(yīng)溫度160°C。處理溫度 的升高需要使用昂貴的鉑襯熔爐。除此之外，由于R-玻璃的液相線溫度與成型溫度的非 常接近，因此，要求R-玻璃要在比E-玻璃更低的粘度下纖維化，通常在或者接近1000泊 (poise)下纖維化。通常在1000泊粘度下纖維化R-玻璃將可能會導(dǎo)致玻璃失透，從而導(dǎo)致 工藝中斷和生產(chǎn)效率降低。
[0007] 表IA-IE列出了一些常規(guī)高強(qiáng)度玻璃組合物的成分。
[0008]表I-A


[0018]R-玻璃和S-玻璃是通過在具有鉑襯的熔化容器中熔化組合物的組分而生產(chǎn)的。 由于在這樣的熔化器中生產(chǎn)纖維的成本導(dǎo)致形成R-玻璃和S-玻璃纖維的成本明顯高于 E-玻璃纖維。因而，在本領(lǐng)域需要一種玻璃組合物形成的方法以及由這種方法生產(chǎn)的纖維， 該方法有利于在具有耐火材料襯里的爐中由直接熔化工藝形成高性能玻璃纖維。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明，部分地，為一種制造玻璃組合物的方法，該玻璃組合物用于形成適合于高 強(qiáng)度應(yīng)用的連續(xù)玻璃纖維。本發(fā)明中所用的組合物可以在具有耐火材料襯里的爐內(nèi)使用低 成本的、直接熔化法廉價(jià)地制成玻璃纖維，由于該玻璃纖維具有相對低的纖維化溫度。一旦 制成該纖維，該玻璃組合物即提供了高價(jià)玻璃纖維如S-玻璃的強(qiáng)度特性，本發(fā)明的組合物 包含：約 60. 5 至約 70. 5wt%SiO2、約 10.0 至約 24. 5wt%Al2O3、約 6.0 至約 20.Owt%R0， 其中RO等于MgO,CaO,SrO和BaO之和、和約0. 0至約3.Owt%的堿金屬氧化物。在一個(gè)優(yōu) 選的實(shí)施方案中，該玻璃組合物包含約61至約68wt%SiO2、約15至約19wt%Al2O3、約15 至約20wt%R0,其中RO等于MgO,CaO,SrO和BaO之和、和約0至約3wt%堿金屬氧化物。 優(yōu)選地，該組合物不包含大于約4wt%的選自ZnO、SO3、氟、B203、Ti02、ZrOjPFe203的氧化 物或鹵素。本發(fā)明制造的高性能復(fù)合纖維的期望性能包括，纖維化溫度低于約2650T以及 液相線溫度優(yōu)選低于纖維化溫度至少約80 °F，更優(yōu)選低于纖維化溫度至少約120 °F，最優(yōu) 選低于纖維化溫度至少約150°F。
[0020] 本發(fā)明包括一種方法，該方法用于在具有耐火材料襯里的玻璃熔爐中用生玻璃配 合料生產(chǎn)精制玻璃。該方法包括將生玻璃配合料裝進(jìn)玻璃熔爐的熔化部，在熔化部熔化該 生玻璃配合料然后由熔體形成纖維。本發(fā)明還包括通過上述方法形成的纖維。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的方法中使用的玻璃熔爐的縱剖圖；
[0022] 圖2為圖1中的玻璃熔爐沿著線2-2的平剖圖；
[0023] 圖3為圖1中的玻璃熔爐沿著線3-3的剖面圖，圖示了與爐的上游端壁相鄰的兩 個(gè)燃燒器；
[0024] 圖4為圖1中的玻璃熔爐沿著線3-3另一剖面圖，圖示了與爐的上游端壁相鄰的 一個(gè)燃燒器；
[0025] 圖5為漏板式坩堝裝置/支持結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖，部分為剖面，在本發(fā)明的方法中配置 用來制備有用的連續(xù)玻璃絲。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明的方法中用到的用于形成玻璃纖維的玻璃組合物的纖維化性能包括，纖維 化溫度，液相線，和delta-T。纖維化溫度定義為對應(yīng)于粘度約1000泊（Poise)的溫度。如 下詳述，降低的纖維化溫度減少了纖維的生產(chǎn)成本，延長了坩堝（bushing)壽命，增加了生 產(chǎn)量，允許玻璃在具有耐火材料襯里的熔爐中進(jìn)行熔化，同時(shí)減少了能源的使用。例如，在 較低的纖維化溫度，坩堝在一個(gè)較冷的溫度下運(yùn)行而不會很快的"塌陷（sag)"。塌陷是長 時(shí)間保持高溫的坩堝中發(fā)生的一種現(xiàn)象。通過降低纖維化溫度，可以降低坩堝的塌陷率同 時(shí)延長坩堝壽命。除此之外，因?yàn)樵诮o定的時(shí)間和給定的輸入能量下，更多的玻璃可以被熔 化，所以較低的纖維化溫度可以使生產(chǎn)量更高。這樣的結(jié)果就是，降低了生產(chǎn)成本。除此之 外，較低的纖維化溫度也將允許用本發(fā)明的組合物形成的玻璃在具有耐火材料襯里的熔爐 中熔化，因?yàn)?，它的熔化和纖維化溫度都低于上述許多商業(yè)上可獲得的耐火材料的使用溫 度。
[0027] 液相線定義為液相玻璃和它的基本晶體相之間存在平衡的最高溫度。在液相線之 上的所有溫度，玻璃在它的基本相中沒有晶體存在。在低于液相線溫度時(shí)，可能形成晶體。
[0028] 另一種纖維化性能為Delta-T(AT)，定義為纖維化溫度和液相線溫度之差。較大 的AT在玻璃纖維的形成過程中提供了更大的柔韌性，并在熔化和纖維化過程中有助于阻 止玻璃失透（即，熔體中晶體的形成）。通過更長的坩堝壽命和給形成纖維提供更寬的工藝 窗口，增加的AT也降低了玻璃纖維的生產(chǎn)成本。
[0029] 本發(fā)明的玻璃適合于在具有耐火材料襯里的玻璃熔爐中熔化，該熔爐在傳統(tǒng)商業(yè) 上可獲得并且廣泛用于玻璃強(qiáng)化纖維的制造。典型地，初始配合料成分包括：SiO2 (磨碎 娃砂），和Al2O3 (煅燒氧化錯），還包括鏈改性劑（chainmodifiers)，其選自源材料，如： MgCO3 (菱鎂礦）、CaCO3 (石灰石）、SrCO3 (菱鎖礦）、BaCO3 (碳酸鋇礦）、ZrSiO4 (錯石）和 Na2CO3 (泡堿）。
[0030] 圖1-4顯示了一種在此描述的形成所述玻璃纖維的方法中使用的玻璃熔爐10,并 在以下的實(shí)施例和權(quán)利要求中進(jìn)行闡述。玻璃熔爐10將熔融的玻璃提供給玻璃供料槽12。 該熔融玻璃優(yōu)選包含約60. 5至約70. 5wt%SiO2、約10. 0至約24. 5wt%Al2O3、約6. 0至 20.Owt%R0,其中RO等于MgO,CaO與SrO之和、和約0.0至約3.Owt%堿金屬氧化物。典 型地，本發(fā)明制成的纖維包括少量的ZnO、SO3、氟、B203、1102和Fe203，優(yōu)選在約4wt%以下 的量。除此之外，根據(jù)本發(fā)明所述的方法和組合物制成的纖維優(yōu)選具有低于約2650T的纖 維化溫度，至少約80 °F的AT，優(yōu)選至少約120 °F的AT，最優(yōu)選至少約150 °F的AT，和約 2.28父10_6111八11/°卩至約2.77\10_6111八11/°卩的熱膨脹系數(shù)（〇^)。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明 的方法制造的玻璃纖維優(yōu)選具有超過約600KPSI的強(qiáng)度，優(yōu)選具有超過約630KPSI的強(qiáng)度， 并最優(yōu)選具有超過約695KPSI的強(qiáng)度。進(jìn)一步，期望該玻璃纖維的模量（modulus)大于約 12. 0MPSI，優(yōu)選大于約12. 18MPSI，并最優(yōu)選大于約12. 6MPSI。應(yīng)當(dāng)理解為，由于這些內(nèi)容 在本技術(shù)領(lǐng)域是常規(guī)且眾所周知的，所以本申請并未提供一些結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。
[0031] 本發(fā)明的方法優(yōu)選使用玻璃熔爐10進(jìn)行實(shí)施，該玻璃熔爐包括狹長的通道，該通 道具有上游端壁14a，下游端壁16,側(cè)壁18,底部20和頂部22。玻璃熔爐10的每個(gè)構(gòu)件均 由適當(dāng)?shù)哪突鸩牧现瞥?，如：氧化鋁、氧化鉻、氧化硅、氧化鋁-氧化硅、鋯石、氧化鋯-氧化 鋁-氧化硅、或相似的氧化物基耐火材料。頂部22通常為弓形，其橫截于組合物通道的縱 軸；然而，頂部可以具有任意合適的設(shè)計(jì)。典型地，頂部22位于玻璃配合料組合物30表面 之上約3-10英尺。玻璃配合料組合物30為本發(fā)明的玻璃制造工藝中所使用的原料的混合 料。玻璃熔爐10可選地包括一個(gè)或多個(gè)鼓泡器24和/或電助熔電極（未圖示）。鼓泡器 24和/或電助熔電極增加了整體玻璃的溫度同時(shí)增加了在配合料殼下的熔融玻璃的循環(huán)。
[0032] 除此之外，玻璃熔爐10可包含兩個(gè)連續(xù)區(qū)域，上游熔化部26和下游澄清部28。在 熔化部26中，使用一種本領(lǐng)域公知的加料設(shè)備32將玻璃配合料組合物30加入熔爐。