專利名稱：玻璃組合物和由其制成的纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃組合物，特別地涉及用于形成纖維的玻璃組合物。
背景技術(shù)：
連續(xù)玻璃纖維(E型玻璃和C型玻璃)的大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)包括將主要由本質(zhì)上是結(jié)晶或基本上結(jié)晶的礦物構(gòu)成的批料物質(zhì)熔融。這些結(jié)晶原料向玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)化要求在熔融過程中施加的相當多的能量。考慮到伴隨結(jié)晶材料的相當大的能源投資，玻璃質(zhì)或無定形礦物有時已經(jīng)被用于玻璃組合物的生產(chǎn)。玻璃質(zhì)或無定形結(jié)構(gòu)能夠減少熔融過程中消耗的能源的量。例如，已經(jīng)使用諸如玄武巖和黑曜巖的玻璃質(zhì)礦物作為用于生產(chǎn)礦棉的原料的重要部分。然而，一個與有些玻璃質(zhì)礦物相關(guān)的缺點是這些礦物的高鐵含量。玄武巖和黑曜巖都包含相對大量的鐵，由此使它們產(chǎn)生的熔體非常吸收能量。因此，常規(guī)燃氣爐(gas fired furnace)的使用典型地對于這些礦物的熔融加工是不實用的。電熔技術(shù)可以用于處理高鐵含量的玻璃質(zhì)礦物，但是與常規(guī)燃氣爐技術(shù)相比這在大量玻璃纖維生產(chǎn)中往往是一種限制。用于生產(chǎn)E型玻璃和C型玻璃纖維的原料一般含鐵量低，由此允許大規(guī)模燃氣爐的使用。珍珠巖(以及其膨脹形態(tài)浮石)是以玻璃質(zhì)形態(tài)天然存在的礦物。珍珠巖尚未被廣泛用作玻璃生產(chǎn)中的原料，這部分歸因于其組成參數(shù)。珍珠巖的主要成分為Si02、Al203和堿金屬氧化物(R2O)。SW2典型地在珍珠巖中以約70-約75wt%的量存在。Al2O3典型地在珍珠巖中以約12-約15wt%的量存在。堿金屬氧化物典型地在珍珠巖中以約3-約9wt% 的量存在。這些參數(shù)與若干廣泛使用的玻璃組合物的組成要求沖突，例如包括E型玻璃和 C型玻璃的那些組成要求。例如，E型玻璃組合物非常適合于形成玻璃纖維。因此，大多數(shù)用于增強應(yīng)用、例如聚合物增強應(yīng)用的玻璃纖維由E型玻璃組合物形成。E型玻璃組合物一般限制堿金屬氧化物的量不超過2%。珍珠巖的高堿金屬氧化物含量與該限制不符，致使珍珠巖很大程度上不適合在用于生產(chǎn)E型玻璃組合物的批料組合物中使用。此外，C型玻璃組合物也已被用于形成在酸性環(huán)境中耐腐蝕的纖維。為了耐酸性腐蝕，C型玻璃組合物包含高的SiO2含量和低的Al2O3含量(<8wt%)。珍珠巖的高Al2O3 含量一般地排除了珍珠巖在用于生產(chǎn)C型玻璃組合物的批料組合物中的使用。概述一方面，本發(fā)明提供了由包含顯著量的一種或多種玻璃質(zhì)礦物的批料組合物形成的玻璃組合物，所述玻璃質(zhì)礦物包括珍珠巖和/或浮石。另一方面，本發(fā)明提供了由本文所述的玻璃組合物形成的玻璃纖維。
在一種實施方案中，本發(fā)明提供了由包含至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt% 的鈉源的批料組合物形成的玻璃組合物，其中所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt%的量包含SiO2 與Al2O3的組合。在一些實施方案中，所述批料組合物包含至少65wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt%的量包含SiO2與Al2O3的組合。在一些實施方案中，包含SW2與 Al2O3的組合的玻璃質(zhì)礦物為珍珠巖、浮石或它們的混合物。此外，在一些實施方案中，所述批料包含至少10wt%的鈉源。在一些實施方案中， 鈉源包含碳酸鈉(蘇打)。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含Si02,8-12wt% Al203、8. 5-18wt%堿金屬氧化物(R2O)組分和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1. 5的&0/R0質(zhì)量比的量存在。在一些實施方案中，R2O組分包含Na20、K2O或Li2O或它們的混合物。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含6. 5wt% -約16wt%的Na20。在一些實施方案中，玻璃組合物包含4襯％的K2O。在一些實施方案中，玻璃組合物包含至多2襯％的Li2O。在一些實施方案中，RO組分包含MgO、CaO、SrO, BaO、或ZnO或它們的混合物。在一些實施方案中，RO組分在本發(fā)明的玻璃組合物中以7wt% -31wt%的量存在。在一種實施方案中，玻璃組合物包含至多約5wt%的MgO。在一些實施方案中，玻璃組合物包含 7wt% 16襯％的CaO。在一些實施方案中，玻璃組合物包含至多3襯％的&ι0。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含除了 RO以外的金屬氧化物，其包括但不限于&02、TiO2、MnA或Lei2O3或它們的混合物。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含56-63wt% Si02,9-12wt% Al203、12-17wt % RO (Ca0+Mg0) U2-14wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含Si02,9-12wt% Al203、7-15wt % RO (Ca0+Mg0)、13-15. 5wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含55-63wt% Si02,9-14wt% Α1203、11-16· 5wt % RO (CaO+MgO) U4-17wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有小于Iwt%的!^e2O3含量。在另外的實施方案中，玻璃組合物可以包含小于0. 7wt%的狗203。按照本發(fā)明一些實施方案的玻璃組合物是可纖維化的。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有1120°C -約1300°C的成型溫度(Tf)。本文使用的術(shù)語“成型溫度”是指玻璃組合物在其下的粘度為1000泊的溫度(或者“l(fā)og 3溫度”)。在一些實施方案中， 本發(fā)明的玻璃組合物是在成型溫度下可纖維化的。此外，在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有約1020°C -約1240°C的液相溫度(TJ。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度與液相溫度之間的差值為約45°C -約165°C。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度與液相溫度之間的差值為至少65°C。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物在成型溫度下的熔融密度為2.35g/ cm2-2. 40g/cm2。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的熔融密度為2. 36g/cm2-2. 38g/
在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物在成型溫度下的熔融表面張力為約 390Ε Ν/πι-400Ε”Ν/πι。如同本文提供的，可以由本發(fā)明玻璃組合物的一些實施方案形成玻璃纖維。在一些實施方案中，由本發(fā)明玻璃組合物形成的纖維的模量(E)為約53GPa-約65GPa。此外，在一些實施方案中，由本發(fā)明玻璃組合物形成的纖維的比強度為1. 30-1. 35E%。在一些實施方案中，由本發(fā)明玻璃組合物形成的纖維還顯示耐酸堿腐蝕性。在一種實施方案中，例如，由本發(fā)明玻璃組合物形成的纖維當在100°c下暴露于IN H2SO4(pH 0)達1小時時的失重)為約0.55-約0.60。在另一實施方案中，由本發(fā)明玻璃組合物形成的纖維當在100°C下暴露于0. IN NaOH(pH 12)達1小時時的失重)為約 0. 25-0. 30。由本發(fā)明玻璃組合物形成的玻璃纖維可以用于多種增強應(yīng)用。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維被用于聚合物的增強，所述聚合物包括熱塑性塑料和熱固性塑料。在一些實施方案中，由本發(fā)明玻璃組合物形成的玻璃纖維被用于建筑材料的增強，所述建筑材料包括但不限于水泥和諸如木瓦的屋頂體系。另一方面，本發(fā)明提供了由包含顯著量的一種或多種玻璃質(zhì)礦物的批料組合物制造玻璃組合物的方法，所述玻璃質(zhì)礦物包括珍珠巖和/或浮石。在一種實施方案中，本發(fā)明的制造玻璃組合物的方法包括提供包含至少50wt% 的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt%的鈉源的批料組合物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少SOwt%的量包含 SiO2與Al2O3的組合，和將所述批料組合物加熱到足以形成玻璃組合物的溫度。在一些實施方案中，將所述批料組合物加熱到約1400°C -約1450°C的溫度。這些和其它實施方案更詳細地在下面的詳述中呈現(xiàn)。附圖簡述

圖1提供了高溫差熱分析(DTA)的結(jié)果，其比較按照本發(fā)明一種實施方案的細粒狀珍珠巖和粗粒狀珍珠巖的從固體向液體的轉(zhuǎn)化。圖2說明了用于測定本發(fā)明實施方案的玻璃組合物的熔體粘度的設(shè)備。圖3說明了用于測定本發(fā)明實施方案的玻璃組合物的液相溫度( Υ)的加熱爐的熱電偶位置和加熱線圈的圈數(shù)。圖4提供了本發(fā)明一種實施方案的玻璃組合物、兩種市售E型玻璃組合物和C型玻璃組合物的溫度-粘度曲線。圖5提供了本發(fā)明一種實施方案的玻璃組合物和兩種市售E型玻璃組合物的作為溫度的函數(shù)的熔融玻璃表面張力。圖6為本發(fā)明一種實施方案的玻璃組合物和兩種市售E型玻璃組合物的熔體或熔融玻璃密度作為溫度的函數(shù)的曲線。圖7為本發(fā)明一種實施方案的玻璃組合物以及E型玻璃組合物和C型玻璃組合物的導(dǎo)電率作為溫度的函數(shù)的曲線。圖8提供了若干批料組合物向本發(fā)明一種實施方案的玻璃熔體組合物轉(zhuǎn)化的能
量要求。圖9概括了本發(fā)明一些實施方案的多種玻璃組合物的纖維強度的Weibull統(tǒng)計分析。詳述除非有相反指示，否則在下面的說明書中描述的數(shù)值參數(shù)是近似值，其可以根據(jù)試圖通過本發(fā)明得到的期望性能而變化。最起碼，以及并非作為限制等同原則對權(quán)利要求范圍的應(yīng)用的企圖，各數(shù)值參數(shù)應(yīng)當至少按照所報道的有效數(shù)字的數(shù)目并采用一般的舍入技術(shù)來解釋。盡管描述本發(fā)明的寬范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是在具體實施例中給出的數(shù)值被盡可能精確地報道。然而，任何數(shù)值固有地包含由它們各自的試驗測量中發(fā)現(xiàn)的標準偏差必然引起的一定誤差。此外，本文公開的所有范圍應(yīng)當理解為包括其中所包含的任何和所有子范圍。例如，所述的“1-10”的范圍應(yīng)當被認為包括在最小值1與最大值10之間(并且包含端值)的任何和所有子范圍；即，以1或更大的最小值開始(例如1-6. 1)并且以10或更小的最大值結(jié)束(例如5. 5-10)的所有子范圍。另外，被稱為“并入本文”的任何參考文獻應(yīng)當理解為以其全部內(nèi)容并入。此外注意，用于本說明書的單數(shù)形式“一”、“一個/ 一種”和“所述/該”包括復(fù)數(shù)對象，除非特意和明確地限于一個對象。本發(fā)明的某些實施方案可以利用玻璃質(zhì)礦物所提供的各種熱力學(xué)和加工優(yōu)點以提供具有期望性能的玻璃組合物。一方面，本發(fā)明提供了由包含顯著量的一種或多種玻璃質(zhì)礦物的批料組合物形成的玻璃組合物，所述玻璃質(zhì)礦物包括珍珠巖和/或浮石。所述玻璃組合物在一些實施方案中可以是可纖維化的玻璃組合物。在一些實施方案中，由本發(fā)明玻璃組合物形成的玻璃纖維能夠顯示有利的性能，其包括但不限于等于或者勝過由先前的組合物如E型玻璃組合物和C型玻璃組合物形成的玻璃纖維的機械和耐腐蝕性能。本發(fā)明的多種實施方案提供了玻璃組合物，其不限制地包括可纖維化的玻璃組合物。在一種實施方案中，本發(fā)明提供了由包含至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt%的鈉源的批料組合物形成的玻璃組合物，其中所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt%的量包含SW2與 Al2O3的組合。在一些實施方案中，所述批料組合物包含至少65wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少SOwt%的量包含SW2與Al2O3的組合。在另一實施方案中，所述批料組合物包含至少68wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt%的量包含SW2與Al2O3的組合。在一些實施方案中，以至少80wt%的量包含SW2與Al2O3的組合的玻璃質(zhì)礦物為珍珠巖、浮石或它們的混合物。此外，在一些實施方案中，所述批料組合物包含至少IOwt %的鈉源。在另一實施方案中，所述批料組合物包含至少12wt%的鈉源。用于本發(fā)明批料組合物的一種合適鈉源在一些實施方案中包含碳酸鈉(蘇打)。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含Si02,8-12wt% Al203、8. 5-18wt%堿金屬氧化物(R2O)組分和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1. 5的&0/R0質(zhì)量比的量存在。在一些實施方案中，組分不限于單一化合物，而是可以包含若干種化合物。在一些實施方案中，組分包含Na2CKK2O或Li2O或它們的混合物。此外，在一些實施方案中而且不限制地，R2O組分可以意味著只是Na2O,只是K2O,只是Li2O, Na2O與K2O的組合，K2O與Li2O的組合，Na2O與Li2O的組合，或者Na20、K2O與Li2O的組合。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含6. 5wt% -約16wt%的Na20。在另一實施方案中，玻璃組合物包含9wt% -13wt%的Na20。在一些實施方案中，玻璃組合物包含 IOwt % -12. 5wt%^ Na2O0在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含2wt%-#〖％的1(20。在一些實施方案中，玻璃組合物包含2. 5wt% -3. 5襯％的K2O。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含至多2wt%的Li20。在另一實施方案中，玻璃組合物包含0. 5wt% -1. 5襯％的Li20。在一些實施方案中，RO組分包含MgO、CaO、SrO, BaO或ZnO或它們的混合物。在一些實施方案中，RO組分可以只包含MgO，只包含CaO，只包含SrO，只包含BaO或者只包含 ZnO0在一些實施方案中，RO組分可以包含MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO中兩種或更多種金屬氧化物的任意組合。在一些實施方案中，RO組分在本發(fā)明的玻璃組合物中以7wt% -31wt% 的量存在。在一種實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含至多5wt%的MgO。在另一實施方案中，玻璃組合物包含Iwt % -4wt %的MgO。在一些實施方案中，玻璃組合物包含2wt % -3wt % 的 MgO。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含7wt%的CaO。在另一實施方案中，玻璃組合物包含-20wt%的CaO。在一些實施方案中，玻璃組合物包含 IOwt % CaO。在一些實施方案中，玻璃組合物包含至多3wt%的SiO。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物包含除了 RO以外的金屬氧化物，其包括但不限于&02、Ti02、Mr^2或Lei2O3或它們的混合物。在一些實施方案中，玻璃組合物可以包含至多 ZrO2，至多TiO2，至多和 / 或至多Lei2O3。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含56-63wt% Si02,9-12wt% Al203、12-17wt % RO (Ca0+Mg0) U2-14wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含Si02,9-12wt% Al203、7-15wt % RO (Ca0+Mg0)、13-15. 5wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃組合物，其包含55-63wt% Si02,9-14wt% Α1203、11-16· 5wt % RO (CaO+MgO) U4-17wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有小于Iwt%的!^e2O3含量。在另外的實施方案中，玻璃組合物可以包含小于0. 7wt%狗203。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有約1120°C -約1300°C的成型溫度 (TF)。在另一實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有約1150°c-約1250°C的成型溫度。在一些實施方案中，玻璃組合物具有約1200°C -約1225°C的成型溫度。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有約1020°C -約1240°C的液相溫度。 在另一實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有約1070°C -約1200°C的液相溫度。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物具有約1110°C -約1140°C的液相溫度。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度與液相溫度之間的差值為約 45°C -約165°C。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度與液相溫度之間的差值為至少65 °C。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物在成型溫度下的熔融密度為2.35g/ cm2-2. 40g/cm2。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的熔融密度為2. 36g/cm2-2. 38g/ cm2。如同本文進一步論述的，在一些實施方案中，本發(fā)明的一些玻璃組合物的熔融密度比一些E型玻璃組合物的熔融密度小5% -7%。因此，與一些E型玻璃纖維相比，由本發(fā)明一些玻璃組合物形成的玻璃纖維每單位體積更輕。更輕的玻璃纖維會在許多應(yīng)用中有利，特別是材料增強應(yīng)用，例如聚合物增強應(yīng)用，其中重量減輕經(jīng)常是非常期望的。此外，由于較低的密度，由本發(fā)明一些玻璃組合物形成的玻璃纖維與相同重量的一些E型玻璃纖維相比能夠具有更大的直徑，由此提供增強的機械性能。另外，在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物在成型溫度下的熔融表面張力為約 390Ε”Ν/ι -400Ε”Ν/ΠΙ。如同本文提供的，可以由包含顯著量的一種或多種玻璃質(zhì)礦物的批料組合物生產(chǎn)本發(fā)明的玻璃組合物，所述玻璃質(zhì)礦物包括珍珠巖和/或浮石。在由包含顯著量的玻璃質(zhì)礦物的批料組合物生產(chǎn)時，本發(fā)明的玻璃組合物在一些實施方案中能夠?qū)崿F(xiàn)相當大的節(jié)能。如同本文進一步論述的，在一些實施方案中，本發(fā)明玻璃組合物的熔體的生產(chǎn)需要能量比生產(chǎn)一些E型玻璃組合物的熔體所需的能量少至多33%?？梢酝ㄟ^若干方法生產(chǎn)本發(fā)明的玻璃組合物。在一種實施方案中，生產(chǎn)玻璃組合物的方法包括提供包含至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt%的鈉源的批料組合物， 所述玻璃質(zhì)礦物以至少SOwt %的量包含SW2與Al2O3的組合，和將所述批料組合物加熱到足以形成玻璃組合物的熔體的溫度。在一些實施方案中，將所述批料組合物加熱到約 1400°C -約 1450°C 的溫度。在一些實施方案中，所述批料組合物包含至少65wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少SOwt%的量包含SiA與Al2O3的組合。在另一實施方案中，所述批料組合物包含至少68wt %的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt %的量包含SiA與Al2O3的組合。在一些實施方案中，以至少80wt%的量包含SW2與Al2O3的組合的玻璃質(zhì)礦物為珍珠巖、浮石或它們的混合物。用于生產(chǎn)本發(fā)明玻璃組合物的珍珠巖和/或浮石在一些實施方案中以微?；蚍勰┬问教峁?。在一些實施方案中，與更粗的粒度相對比通過使用具有細粒度的珍珠巖和/或浮石組合物能夠?qū)崿F(xiàn)額外的節(jié)能。圖1說明了高溫差熱分析(DTA) 的結(jié)果，其比較細粒狀珍珠巖(約200目)和粗粒狀珍珠巖(約45目)的從固體向液體的轉(zhuǎn)化。如圖1所示，雖然細粒狀和粗粒狀珍珠巖在室溫下都是玻璃質(zhì)或無定形的，但是細粒狀珍珠巖在從固體向液體的轉(zhuǎn)化過程中比粗粒狀珍珠巖需要更少的能量。此外，細粒狀珍珠巖比粗粒狀珍珠巖在更低的溫度下開始形成液體。此外，在一些實施方案中，本發(fā)明的批料組合物包含至少IOwt %的鈉源。在一些實施方案中，批料組合物包含至少12wt%的鈉源。用于本發(fā)明批料組合物的一種合適鈉源在一些實施方案中包含碳酸鈉(蘇打)。在一些實施方案中，用于生產(chǎn)本發(fā)明玻璃組合物的批料組合物進一步包含其它礦物，其包括但不限于石灰石、白云石或它們的混合物。在一種實施方案中，例如，批料組合物進一步包含至多17wt%石灰石。在另一實施方案中，批料組合物進一步包含至多13wt%白石石。如同本文提供的，可以由任一種的本發(fā)明玻璃組合物形成玻璃纖維?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的任何用于形成玻璃纖維的工藝，以及更理想地本領(lǐng)域已知的任何用于形成基本上連續(xù)的玻璃纖維的工藝，形成本發(fā)明各種實施方案的玻璃纖維。例如，盡管在本文中不作限制，可以使用直接熔融或間接熔融纖維成型法形成本發(fā)明的非限制性實施方案的玻璃纖維。這些方法在本領(lǐng)域是公知的，對于其更多的論述鑒于本公開內(nèi)容認為是不必要的。 列如，參見 K. L. Loewenstein,The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers,第 3 版，Elsevier, N. Y.，1993 第 47-48 和 117-234 頁。在一種實施方案中，本發(fā)明提供了包含玻璃組合物的玻璃纖維，所述玻璃組合物由包含至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt%的鈉源的批料組合物形成，其中所述玻璃質(zhì)礦物以至少SOwt%的量包含SiO2與Al2O3的組合。在一些實施方案中，所述批料組合物包含至少65wt %的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt %的量包含SW2與Al2O3的組合。 在另一實施方案中，所述批料組合物包含至少68wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80襯％的量包含SiO2與Al2O3的組合。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃纖維，其包含53-6#t% Si02,8-12wt% Al203、8. 5-18wt%堿金屬氧化物(R2O)組分和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1. 5的&0/R0質(zhì)量比的量存在。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃纖維，其包含56-63wt% Si02,9-12wt% Al203、12-17wt % RO (Ca0+Mg0) U2-14wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃纖維，其包含Si02,9-12wt% Al203、7-15wt % RO (Ca0+Mg0)、13-15. 5wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了玻璃纖維，其包含55-63wt% Si02,9-14wt% Α1203、11-16· 5wt % RO (CaO+MgO) U4-17wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在一些實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維的模量(E)為約 53. OGPa-約65. OGPa0在另外的實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維的模量(E) 為約56GPa-約62GPa。此外，在一些實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維的比強度為 1. 30-1. 35E5m。在一些實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維還顯示耐酸堿腐蝕性。在一種實施方案中，例如，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的玻璃纖維當在100°c下暴露于IN H2SO4(pH 0)達1小時時的失重(wt%)為0. 55-0.60。在另一實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的玻璃纖維當在100°C下暴露于IN H2SO4(pH 0)達1小時時的失重)為 0. 60-1. 70。在另一實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維當在100°C下暴露于0. IN NaOH(pH 12)達1小時時的失重(wt%)為約0. 25-約0. 30。在一些實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維當在100°C下暴露于0. IN NaOH(pH 12)達1小時時的失重) 為 0. 35-0. 85。盡管在本文中不作限制，本發(fā)明一些實施方案的玻璃纖維可以用于結(jié)構(gòu)增強應(yīng)用中。在一些實施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維被用于包括熱塑性塑料和熱固性塑料的聚合物的增強。在一些實施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的玻璃纖維被用于建筑材料的增強，其包括但不限于水泥和諸如木瓦的屋頂體系。在一種實施方案中，本發(fā)明提供了聚合物復(fù)合材料，其包含聚合物材料和在所述聚合物材料中的至少一種玻璃纖維，所述至少一種玻璃纖維包含玻璃組合物，所述玻璃組合物由包含至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt%的鈉源的批料組合物形成，其中所述玻璃質(zhì)礦物以至少SOwt%的量包含SW2與Al2O3的組合。在一些實施方案中，所述批料組合物包含至少65wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt%的量包含SW2與Al2O3的組合。在另一實施方案中，所述批料組合物包含至少68wt %的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80襯％的量包含SW2與Al2O3的組合。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了包含聚合物材料和在所述聚合物材料中的至少一種玻璃纖維的聚合物復(fù)合材料，所述至少一種玻璃纖維包含53-6#t% Si02,8-12wt% Al203、8. 5-18wt%堿金屬氧化物(R2O)組分和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1. 5的&0/R0質(zhì)量比的量存在。在另一實施方案中，本發(fā)明提供了包含聚合物材料和在所述聚合物材料中的至少一種玻璃纖維的聚合物復(fù)合材料，所述至少一種玻璃纖維包含56-63wt% Si02,9-12wt% Al203、12-17wt % RO (CaO+MgO) U2-14wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了包含聚合物材料和在所述聚合物材料中的至少一種玻璃纖維的聚合物復(fù)合材料，所述至少一種玻璃纖維包含Si02,9-12wt% Al203、7-15wt % RO (CaO+MgO)、13-15. 5wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30在另一實施方案中，本發(fā)明提供了包含聚合物材料和在所述聚合物材料中的至少一種玻璃纖維的聚合物復(fù)合材料，所述至少一種玻璃纖維包含55-63wt% Si02,9-14wt% Α1203、11-16· 5wt % RO (CaO+MgO)、14-17wt % R2O (Na20+K20) ,0-2wt % Li20、0_3wt % ZnO, 0-3wt% Zr02>0-3wt% MnO2 禾口 0_3wt% La2O30可以由本領(lǐng)域已知的任何用于制造聚合物復(fù)合材料的方法制備本發(fā)明各種實施方案的聚合物復(fù)合材料。例如，在一種實施方案中，可以通過用聚合物材料浸漬玻璃纖維的織造布或非織造布或墊然后固化聚合物材料，制造本發(fā)明的聚合物復(fù)合材料。在另一實施方案中，可以將包含本發(fā)明的玻璃組合物的連續(xù)玻璃纖維和/或切短玻璃纖維置于聚合物材料中。根據(jù)聚合物材料的特性，可以使聚合物材料在接收連續(xù)或切短玻璃纖維之后進行固化?，F(xiàn)在將在下面的非限制性實施例中舉例說明本發(fā)明的多種非限制性實施方案。通過提供包括65_72 {%珍珠巖、0_22wt%g云石、灰石和
打的成分的混合物，制備表I提供的本發(fā)明玻璃組合物的實施例1-6。用于制備實施例1-6 的珍珠巖、白云石、石灰石和/或蘇打的具體用量通過相對于每種玻璃組合物的期望組成參數(shù)參照每種礦物的組成參數(shù)來確定。隨后將礦物的混合物加熱到約1400°C的溫度以獲得熔融玻璃組合物。將熔融玻璃組合物冷卻以提供實施例1-6的玻璃組合物。表I-玻璃組合物
權(quán)利要求
1.玻璃組合物，其包含 53-64wt% SiO2 ； 8-12wt% Al2O3 ；8. 5-18襯％堿金屬氧化物組分(R2O)；和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1. 5的&0/R0比率的量存在。
2.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述RO組分以7wt%-31wt%的量存在。
3.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述RO組分包含金屬氧化物的混合物。
4.權(quán)利要求3的玻璃組合物，其中所述RO組分包含CaO和MgO的混合物。
5.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述RO組分包含7-26wt%的CaO。
6.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述RO組分包含至多5wt%的MgO。
7.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述包含Na2CKK2O或Li2O或它們的混合物。
8.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中包含6.5-16襯％的Na20。
9.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中包含的K20。
10.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中包含至多2wt%的Li20。
11.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其進一步包含至多8wt%的&02。
12.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述RO組分包含至多3wt%的&ι0。
13.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其進一步包含至多3wt%的Μη02。
14.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其進一步包含至多3wt%的Ti02。
15.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其進一步包含至多3wt%的Lei203。
16.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其具有約1120°C-約1300°C的纖維成型溫度。
17.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述玻璃組合物的成型溫度與液相溫度之間的差值為至少約65°C。
18.權(quán)利要求1的玻璃組合物，其中所述玻璃組合物的成型溫度與液相溫度之間的差值為約45°C -約165°C。
19.由包含如下組分的批料組合物形成的玻璃組合物至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80wt%的量包含SiO2與Al2O3的組合；和至少鈉源。
20.權(quán)利要求19的玻璃組合物，其中所述批料組合物包含至少60wt%的玻璃質(zhì)礦物。
21.權(quán)利要求19的玻璃組合物，其中所述批料組合物包含至少65wt%的玻璃質(zhì)礦物。
22.權(quán)利要求19的玻璃組合物，其中所述批料組合物包含至少10wt%的鈉源。
23.權(quán)利要求19的玻璃組合物，其中所述玻璃質(zhì)礦物包括珍珠巖、浮石或它們的混合物。
24.生產(chǎn)玻璃組合物的方法，其包括提供包含至少50wt%的玻璃質(zhì)礦物和至少5wt%的鈉源的批料組合物，所述玻璃質(zhì)礦物以至少80襯％的量包含SW2與Al2O3的組合；和加熱所述批料以形成玻璃組合物的熔體。
25.權(quán)利要求對的方法，其中將所述批料組合物加熱到約1120°C-約1300°C的纖維成型溫度。
26.權(quán)利要求25的方法，其進一步包括將所述玻璃組合物纖維化。
27.玻璃組合物，其包含 56-63wt% SiO2 ； 9-12wt% Al2O3 ； 12-17wt% R0(Ca0+Mg0)；12-14wt%R2O (Na20+K20)； 0-2wt% Li2O ；0-3wt% ZnO ； 0-3wt% ZrO2 ； 0-3wt% MnO2 ；禾口 0-3wt% Lei2O3。
28.玻璃組合物，其包含 60-64wt% SiO2 ； 9-12wt% Al2O3 ；7-15wt%R0(Ca0+Mg0)；和13-15.5wt% R2O (Na20+K20)； 0-2wt% Li2O ；0-3wt% ZnO ； 0-3wt% ZrO2 ； 0-3wt% MnO2 ；禾口 0-3wt% Lei2O3。
29.玻璃組合物，其包含 54-63wt% SiO2 ； 9-14wt% Al2O3 ；11-16. 5wt% RO(CaO+MgO)；禾口14-17wt%R2O (Na20+K20)； 0-2wt% Li2O ；0-3wt% ZnO ； 0-3wt% ZrO2 ； 0-3wt% MnO2 ；禾口 0-3wt% La2O3。
30.權(quán)利要求27- 任一項的玻璃組合物，其中所述玻璃組合物包含小于0.7wt % Fe2O3 ο
31.玻璃纖維，其包含 53-64wt% SiO2 ；·8-12wt%Al2O3 ；·8. 5-18對％堿金屬氧化物(R2O)組分；和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1.5的&0/1 0質(zhì)量比的量存在。
32.聚合物復(fù)合材料，其包含 聚合物材料；和在所述聚合物材料中的至少一種玻璃纖維，所述至少一種玻璃纖維包含 53-64wt% SiO2 ； 8-12wt% Al2O3 ；8. 5-18襯％堿金屬氧化物(R2O)組分；和金屬氧化物(RO)組分，其中所述金屬氧化物組分以提供約0. 15-約1.5的&0/1 0質(zhì)量比的量存在。
全文摘要
本發(fā)明的實施方案提供了由包含顯著量的一種或多種玻璃質(zhì)礦物的批料組合物形成的可纖維化的玻璃組合物，所述玻璃質(zhì)礦物包括珍珠巖和/或浮石。
文檔編號C08J5/08GK102471132SQ201080034381
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者H·李, J·C·沃特森 申請人:Ppg工業(yè)俄亥俄公司