КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТЕКЛЯННЫХ ВОЛОКОН И ВОЛОКНА, СФОРМОВАННЫЕ ИЗ ЭТОЙ КОМПОЗИЦИИ

Область техники и промышленная применимость изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к композиции для применения в производстве непрерывного высокопрочного стекловолокна и волокнам, формованным из композиции.

Предпосылки создания изобретения

Обычно используемой композицией для изготовления высокопрочных непрерывных прядей стекловолокна является S-стекло. Термин ″S-стекло″ относится к семейству стекол, состоящих главным образом из оксидов магния, алюминия и кремния, с химическим составом, который позволяет вырабатывать стекловолокно, имеющее более высокую механическую прочность, чем волокна из E-стекла. Химический состав семейства S-стекла позволяет вырабатывать высокопрочное стекловолокно и применять данные стекла в областях, требующих высокой прочности, таких как бронежилет. Стандарт ASTM определяет S-стекло как семейство стекол, состоящих главным образом из оксидов магния, алюминия и кремния с подтвержденным химическим составом, который соответствует техническим характеристикам материала и который позволяет получить высокую механическую прочность (D578-05). Институт стандартизации Германии (DIN) определяет S-стекло как алюмосиликатное стекло без добавленного CaO, содержащее массовую долю MgO, где MgO составляет примерно 10% по массе (Алюмосиликатное стекло определено как стекло, которое состоит преимущественно из триоксида алюминия, диоксида кремния и других оксидов) (DIN-1259-1).

R-стекло представляет собой другое семейство стекол с высокой прочностью, высоким модулем, которые обычно формуют в волокна, предназначенные для применения в аэрокосмических композитных материалах. R-стекло главным образом состоит из оксида кремния, оксида алюминия, оксида магния и оксида кальция с химическим составом, который позволяет вырабатывать стекловолокно с более высокой механической прочностью, чем волокна из S-стекла. R-стекло, в целом, содержит меньшее количество оксида кремния и большее количество оксида кальция (СаО), чем S-стекло, которое требует более высоких температур плавления и переработки во время формования волокна.

В Таблицах IA-IE представлены композиционные составы некоторых обычно используемых составов высокопрочного стекла.

ТАБЛИЦА I-B

ТАБЛИЦА I-C

ТАБЛИЦА I-D

ТАБЛИЦА I-Е

Типовые R-стекло и S-стекло обычно производят путем плавления компонентов композиции в печи для плавления, футерованной платиной. Затраты на формование волокон из R-стекла и S-стекла значительно превышают затраты на производство волокна из Е-стекла из-за стоимости выработки волокон в таких печах. Таким образом, существует потребность в данной области в способах формования составов стекла, которые были бы эффективными для выработки высококачественных стеклянных волокон методом прямой плавки.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение относится к стекольной композиции для формования непрерывных стеклянных волокон, пригодных для использования в областях, требующих высокой прочности. Композиция может быть формована с небольшими затратами в стекловолокно с использованием экономичного метода прямой плавки в печах, футерованных огнеупорным материалом, благодаря относительно низкой температуре выработки стекловолокна из композиции. После формования в волокна стекольная композиция обеспечивает прочностные характеристики S-стекла. В одну композицию настоящего изобретения входит 64-75 мас.% SiO₂; 16-24 мас.% Al₂O₃; 8-11 мас.% MgO и от 0,25 до 3,0 мас.% R₂O, где R₂O равно сумме Li₂O и Na₂O. Композиция настоящего изобретения включает 64-75 мас.% SiO₂; 16-24 мас.% Аl₂О₃; 8-11 мас.% MgO и от 0,25 до 3,0 мас.% Li₂O. В предпочтительном варианте стекольная композиция включает 64-70 мас.% SiO₂; 17-22 мас.% Аl₂О₃; 9-11 мас.% MgO и 1,75-3,0 мас.% R₂O, где R₂O равно сумме Li₂O и Na₂O. В другом предпочтительном варианте в стекольную композицию входит 64-70 мас.% SiO₂; 17-22 мас.% Аl₂О₃; 9-11 мас.% MgO и 1,75-3,0 мас.% Li₂O. Предпочтительно, чтобы в композицию входило не более чем примерно 5,0 мас.% оксидов или соединений, выбранных из группы, состоящей из CaO, P₂O₅, ZnO, ZrO₂, SrO, BaO, SO₃, F, В₂O₃, TiO₂ и Fе₂О₃.

Желательные свойства высококачественных композитных волокон, произведенных с помощью настоящего изобретения, включают температуру выработки стекловолокна, которая меньше чем 2650°F (1454°С), предпочтительно меньше чем примерно 2625°F (1441°С), более предпочтительно меньше чем примерно 2600°F (1427°С) и более всего предпочтительно меньше чем примерно 2575°F (1413°С), и температуру ликвидуса, которая предпочтительно ниже температуры выработки стекловолокна, по меньшей мере, на 80°F (44°С), более предпочтительно, по меньшей мере, на 120°F (66.67°С) и более всего предпочтительно, по меньшей мере, на 150°F (83.33°С). Настоящее изобретение также включает волокна, формованные из таких композиций.

Подробное описание и предпочтительные варианты изобретения

Характеристики выработки стекловолокна из композиции стекольной шихты настоящего изобретения включают температуру выработки стекловолокна, ликвидус и дельта-Т. Температура выработки стекловолокна определена как температура, которая соответствует вязкости 1000 П. Как отмечено более подробно ниже, пониженная температура выработки стекловолокна снижает затраты на производство волокон, обеспечивает более длительный срок службы фильеры, увеличивает производительность, позволяет стеклу плавиться в стеклоплавильной печи, футерованной огнеупорным материалом, и сокращает потребление энергии. Например, при более низкой температуре выработки стекловолокна фильера функционирует при более холодной температуре и не «изгибается» так быстро. Изгиб является феноменом, который возникает в фильерах, которые содержатся при повышенной температуре в течение длительного времени. При понижении температуры выработки стекловолокна скорость изгиба фильеры может быть снижена и срок службы фильеры может быть увеличен. К тому же более низкая температура выработки стекловолокна обеспечивает более высокую производительность, так как может быть расплавлено большее количество стекла за определенный период при определенном потреблении энергии. В результате затраты на производство могут быть снижены. К тому же более низкая температура выработки стекловолокна также позволяет стеклу формоваться способом изобретения и композиции плавиться в стеклоплавильной печи с огнеупорной футеровкой, так как обе температуры, плавления и выработки, находятся ниже верхних температур эксплуатации многих коммерчески доступных огнеупорных материалов.

Ликвидус стекла определен как самая высокая температура, при которой существует равновесие между жидким стеклом и его исходной кристаллической фазой. При всех температурах выше ликвидуса стекло свободно от кристаллов в его первичной фазе. При температурах ниже ликвидуса возможно образование кристаллов. Кристаллы в расплаве могут вызвать забивку фильеры и понижение прочности волокон.

Другой характеристикой выработки стекловолокна является дельта-Т (ΔТ), которая определена как разность между температурой выработки стекловолокна и ликвидусом. Большая величина ΔТ предполагает более высокую степень гибкости при формовании стеклянных волокон и помогает ингибировать расстекловывание стекла (то есть образование кристаллов в расплаве) во время плавления и выработки стекловолокна. Повышение ΔТ также снижает затраты на производство стеклянных волокон путем обеспечения более длительного срока службы фильеры и более широкого окна процесса для формования волокна.

Стекла настоящего изобретения пригодны для плавления в обычных коммерчески доступных стеклоплавильных печах, футерованных огнеупорным материалом, которые широко используются в производстве армирующего стекловолокна. Компоненты исходной шихты обычно включают SiO₂ (кварцевый песок) и Аl₂О₃ (кальцинированный оксид алюминия) или пирофиллит, а также модификаторы из сырьевых материалов, таких как магнезит или доломит. Углерод, включенный в материалы, такие как магнезит, удаляется в виде оксидов углерода, таких как СО₂.

Волокно, формованное согласно настоящему изобретению, предпочтительно включает 64-75 мас.% SiO₂, 16-24 мас.% Аl₂О₃, 8-11 мас.% MgO и от 0,25 до 3,0 мас.% R₂O, где R₂O является суммой Li₂O, Na₂O. Более предпочтительно, чтобы стекольная композиция включала от 0,25 до 3,0 мас.% Li₂O, а не комбинацию Li₂O и Na₂O. В другом предпочтительном варианте стекольная композиция включает 64-70 мас.% SiO₂, 17-22 мас.% Аl₂O₃, 9-11 мас.% MgO и от 1,75 до 3,0 мас.% R₂O, где R₂O является суммой Li₂O, Na₂O. Более предпочтительно, чтобы композиция включала от 1,75 до 3,0 мас.% Li₂O. Волокно, формованное согласно настоящему изобретению, обычно включает незначительные количества CaO, P₂O₅, ZnO, ZrO₂, SrO, BaO, SO₃, F₂, В₂О₃, TiO₂ и Fе₂О₃, предпочтительно в общем количестве менее 5 мас.% и более предпочтительно менее чем примерно 4 мас.%. К тому же волокно, формованное согласно способу и составу настоящего изобретения, будет иметь температуру выработки стекловолокна меньше чем примерно 2650°F (1454°С), предпочтительно меньш, чем примерно 2625°F (1441°С), более предпочтительно меньше чем примерно 2600°F (1427°С) и более всего предпочтительно меньше чем примерно 2575°F (1413°С) и/или температуру ликвидуса, которая предпочтительно ниже температуры выработки стекловолокна, по меньшей мере, на 80°F, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 120°F (66.67°С) и более всего предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 150°F (83.33°С). Кроме того, стекло настоящего изобретения предпочтительно будет иметь прочность свежевыработанного волокна, превышающую 680 kpsi, более предпочтительно, чтобы прочность превышала примерно 700 kpsi и более всего предпочтительно, чтобы прочность превышала примерно 730 kpsi. Кроме того, стеклянные волокна будут предпочтительно иметь модуль больше чем 12,0 mpsi, предпочтительно больше чем примерно 12,18 mpsi, более всего предпочтительно больше чем примерно 12,6 mpsi.

Стекольная шихта настоящего изобретения предпочтительно плавится с использованием стеклоплавильной печи, изготовленной из соответствующих огнеупорных материалов, таких как глинозем, оксид хрома, кремнезем, алюмосиликат, циркон, оксиды алюминия-циркония-кремния или аналогичных огнеупорных материалов на основе оксидов. Часто такие стеклоплавильные печи включают один или более барботеров и/или электрических бустерных электродов (одна пригодная стеклоплавильная печь раскрыта в Американской заявке 20070105701 с названием «Способ производства высококачественного стекловолокна в футерованной огнеупорным материалом стеклоплавильной печи и волокна, формованные с ее использованием», включенной здесь в виде ссылки). Барботеры и электрические бустерные электроды повышают температуру стеклянной массы и увеличивают циркуляцию стекломассы под люковым закрытием.

Расплавленное стекло поступает в сборочный узел фильеры из канала питателя. Фильера включает верхнюю пластину со множеством форсунок, при этом каждая форсунка выгружает поток расплавленного стекла, которые механически вытягиваются для формования непрерывных волокон. Обычно волокна покрывают защитным составом замасливателя, собирают в одну непрерывную прядь и наматывают на вращающуюся бобину наматывающего аппарата для формирования пакета. Волокна также могут быть переработаны в другие формы, включающие, без ограничения, влажное рубленое волокно, сухое рубленое волокно, мат из рубленого стекловолокна, влажные формованные маты или пневмоуложенные маты.

Помимо общего описания данного изобретения, дополнительное понимание можно получить при обращении к определенным конкретным примерам, обеспеченным здесь только для иллюстрации и не предполагаются быть исчерпывающими или ограничивающими, если не указано иное.

ПРИМЕРЫ

Стекла в примерах, перечисленных в Таблицах IIА-IID, были расплавлены в платиновых тиглях или в непрерывной футерованной платиной стеклоплавильной печи для определения механических и физических свойств стекла, и выработанных из них волокон. Единицами измерения для физических свойств являются: вязкость (°F), температура ликвидуса (°F) и ΔТ (°F). В некоторых примерах стекла были выработаны в стекловолокно и измерены прочность (kpsi), плотность (г/см³) и модуль (mpsi).

Температуру выработки стекловолокна измеряли с помощью ротационного шпиндельного вискозиметра. Вязкость выработки стекловолокна была определена как 1000 П. Ликвидус измеряли путем помещения платинового контейнера, заполненного стеклом, в печь с градиентом температур на 16 ч. Самая большая температура, при которой присутствовали кристаллы, была принята как температура ликвидуса. Модуль измеряли с использованием ультразвукового метода на одном волокне стекла. Прочность на разрыв измеряли на свежевыработанном единичном волокне.

Таблица II-C

Составы настоящего изобретения могут также включать модификаторы, такие как Na₂O, CaO и В₂О₃. Такие составы показаны в Таблице II-D (ниже).

Волокна настоящего изобретения имеют превосходные характеристики модуля и прочности. Волокна Примера 1 имеют измеренный модуль, равный 12,71 mpsi и измеренную прочность 688 kpsi. Волокна Примера 3 имеют измеренный модуль, равный 12,96 mpsi и измеренную прочность 737 kpsi. Волокна Примера 17 имеют измеренный модуль, равный 12,75 mpsi и измеренную прочность 734 kpsi.

Как понимается в данной области, приведенные выше иллюстративные составы изобретения не всегда составляют 100% перечисленных компонентов из-за статистических допусков (таких как округление и усреднение) и того факта, что некоторые композиции могут включать примеси, которые не перечислены. Разумеется, фактическое количество всех компонентов композиции, включая любые примеси, всегда составляет 100%. Кроме того, должно быть понятно, что когда в композиции указаны небольшие количества компонентов, например количества порядка 0,05 мас.% или менее, такие компоненты могут присутствовать скорее в виде следовых количеств примесей, присутствующих в сырьевых материалах, чем специально добавленные.

К тому же в композицию шихты могут быть добавлены компоненты, например, для способствования переработки, которые в дальнейшем удаляются, образуя тем самым композиционный состав стекла, в основном свободный от таких компонентов. Таким образом, например, незначительные количества компонентов, такие как фтор и сульфат, могут присутствовать в виде следовых количеств в сырых материалах, обеспечивающих компоненты кремния, лития, алюминия и магния в коммерческом использовании изобретения, или они могут быть обрабатывающими добавками, которые в основном удаляются во время производства.

Из приведенных выше примеров очевидно, что композиции стекловолокна изобретения имеют полезные свойства, такие как низкие температуры выработки стекловолокна и большие разницы между температурами ликвидуса и температурами выработки стекловолокна (большие величины ΔТ). Другие преимущества изобретения и очевидные изменения будут очевидны специалисту из приведенного выше описания и, кроме того, при осуществлении изобретения на практике. Высококачественное стекло настоящего изобретения плавится и осветляется при относительно низких температурах, имеет рабочую вязкость в широком диапазоне относительно низких температур, и диапазоне низких температур ликвидуса.

Изобретение по данной заявке было описано выше как в целом, так и в отношении конкретных вариантов. Несмотря на то, что изобретение изложено в виде предпочтительных вариантов, может быть выбрано много альтернативных вариантов, известных опытным в данной области специалистам, в рамках общего раскрытия. Другие преимущества и очевидные изменения изобретения будут понятны специалисту из вышеуказанного описания и, кроме того, при осуществлении изобретения на практике. Изобретение ограничено исключительно формулой изобретения, изложенной далее.