EA045341B1 - HIGH-QUALITY FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED ELASTIC MODULE - Google Patents
HIGH-QUALITY FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED ELASTIC MODULE Download PDFInfo
- Publication number
- EA045341B1 EA045341B1 EA202291012 EA045341B1 EA 045341 B1 EA045341 B1 EA 045341B1 EA 202291012 EA202291012 EA 202291012 EA 045341 B1 EA045341 B1 EA 045341B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- amount
- glass
- composition
- glass composition
- composition contains
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 156
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 title description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 161
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 64
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 16
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 15
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 12
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Li2O Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 11
- XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M dilithium;hydroxide Chemical compound [Li+].[Li+].[OH-] XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 11
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- BYFGZMCJNACEKR-UHFFFAOYSA-N aluminium(i) oxide Chemical compound [Al]O[Al] BYFGZMCJNACEKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 claims 1
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N Calcium oxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 44
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 25
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 22
- 235000012255 calcium oxide Nutrition 0.000 description 22
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 20
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N niobium pentoxide Chemical compound O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 13
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N scandium(III) oxide Inorganic materials O=[Sc]O[Sc]=O HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 11
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N Na2O Inorganic materials [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- -1 B 2 O 3 Substances 0.000 description 7
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 7
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 6
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 229910000421 cerium(III) oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004031 devitrification Methods 0.000 description 3
- 239000006066 glass batch Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 238000007088 Archimedes method Methods 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000010459 dolomite Substances 0.000 description 2
- 229910000514 dolomite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 2
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 239000001095 magnesium carbonate Substances 0.000 description 2
- 235000014380 magnesium carbonate Nutrition 0.000 description 2
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910000021 magnesium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- KTUFCUMIWABKDW-UHFFFAOYSA-N oxo(oxolanthaniooxy)lanthanum Chemical compound O=[La]O[La]=O KTUFCUMIWABKDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052903 pyrophyllite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 238000007665 sagging Methods 0.000 description 2
- 238000007655 standard test method Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 2
- 239000004634 thermosetting polymer Substances 0.000 description 2
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 2
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 1
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052656 albite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000272 alkali metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 239000005407 aluminoborosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052599 brucite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000006063 cullet Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 229910052634 enstatite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000012681 fiber drawing Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- BBCCCLINBSELLX-UHFFFAOYSA-N magnesium;dihydroxy(oxo)silane Chemical compound [Mg+2].O[Si](O)=O BBCCCLINBSELLX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920001748 polybutylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002990 reinforced plastic Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000000454 talc Substances 0.000 description 1
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006305 unsaturated polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920001567 vinyl ester resin Polymers 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 239000010456 wollastonite Substances 0.000 description 1
- 229910052882 wollastonite Inorganic materials 0.000 description 1
Description
Родственные заявкиRelated applications
Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США с серийным №62/771250, поданной 26 ноября 2018 г., под названием Высококачественная стекловолоконная композиция с улучшенным модулем упругости, полное раскрытие которой включено в настоящий документ ссылкой.This application claims benefit to U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/771,250, filed November 26, 2018, entitled High Performance Enhanced Modulus Fiberglass Composition, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Стекловолокна изготавливают из различных сырьевых материалов, объединенных в конкретных пропорциях с получением желаемой композиции, обычно называемой стекольная шихта. Эту стекольную шихту можно плавить в плавильном устройстве, и расплавленное стекло вытягивают в нити через фильеры или фильерную пластину (полученные нити также называются непрерывными стекловолокнами). Проклеивающий состав, содержащий смазывающие вещества, связующие средства и пленкообразующие связующие смолы, можно затем наносить на нити. После нанесения клея волокна можно собирать в одну или более прядей и наматывать в упаковку или, альтернативно, волокна можно нарубить во влажном состоянии и собрать. Собранные нарезанные пряди можно затем сушить и отверждать с образованием сухих нарубленных волокон, или их можно упаковывать в их влажном состоянии в виде влажных нарубленных волокон.Glass fibers are made from various raw materials, combined in specific proportions to obtain the desired composition, usually called glass batch. This glass charge can be melted in a melting apparatus, and the molten glass is drawn into filaments through dies or a spinneret plate (the resulting filaments are also called continuous glass fibers). A sizing composition containing lubricants, binders and film-forming binder resins can then be applied to the threads. After application of the adhesive, the fibers can be collected into one or more strands and wound into a package, or alternatively, the fibers can be wet chopped and collected. The collected chopped strands can then be dried and cured to form dry chopped fibers, or they can be packaged in their wet state as wet chopped fibers.
Состав стекольной шихты, вместе со стекловолокном, изготовленным из нее, часто выражают в пересчете на оксиды, содержащиеся в ней, что обычно включает SiO2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3, TiO2, Li2O и подобные. Множество типов стекла можно получать из различных количеств этих оксидов или исключая некоторые оксиды из стекольной шихты. Примеры таких стекол, которые можно получать, включают R-стекло, Е-стекло, S-стекло, А-стекло, С-стекло и ECR-стекло. Состав стекла контролирует образование и свойства продукционного стекла. Другие характеристики состава стекла включают стоимость сырьевого материала и влияние на окружающую среду.The composition of the glass batch, together with the glass fibers made from it, is often expressed in terms of the oxides contained in it, which usually includes SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO, MgO, B 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O , Fe 2 O 3 , TiO 2 , Li 2 O and the like. Many types of glass can be made from varying amounts of these oxides or by eliminating certain oxides from the glass batch. Examples of such glasses that can be produced include R glass, E glass, S glass, A glass, C glass and ECR glass. Glass composition controls the formation and properties of product glass. Other glass composition characteristics include raw material costs and environmental impact.
Например, Е-стекло представляет собой алюмоборосиликатное стекло, обычно бесщелочное, и оно обычно используется в электрических применениях. Одним преимуществом Е-стекла является то, что его температура ликвидуса обеспечивает рабочие температуры для получения стекловолокон как составляющие около от 1900°F до 2400°F (от 1038°С до 1316°С). Классификация согласно ASTM для нитей из Е-стекловолокон, используемых в печатных платах и применениях для авиации и космонавтики, определяет состав как 52-56 мас.% SiO2, 16-25 мас.% СаО, 12-16 мас.% Al2O3, 5-10 мас.% В2О3, 0-5 мас.% MgO, 0-2 мас.% Na2O и K2O, 0-0,8 мас.% TiO2, 0,05-0,4 мас.% Fe2O3 и 0-1,0 мас.% фтора.For example, E-glass is aluminoborosilicate glass, usually alkali-free, and is commonly used in electrical applications. One advantage of E-glass is that its liquidus temperature provides operating temperatures for glass fiber production of about 1900°F to 2400°F (1038°C to 1316°C). The ASTM classification for E-glass filaments used in printed circuit boards and aerospace applications specifies the composition as 52-56 wt% SiO 2 , 16-25 wt% CaO, 12-16 wt% Al 2 O 3 , 5-10 wt.% B 2 O 3 , 0-5 wt.% MgO, 0-2 wt.% Na 2 O and K2O, 0-0.8 wt.% TiO 2 , 0.05-0, 4 wt.% Fe 2 O 3 and 0-1.0 wt.% fluorine.
Не содержащие бор волокна продаются под торговым наименованием ADVANTEX® (Owens Coining, Толедо, Огайо, США). Не содержащие бор волокна, такие как раскрытые в патенте США №5789329, включенном в настоящий документ ссылкой во всей его полноте, предлагают значительное улучшение рабочих температур относительно содержащего бор Е-стекла. Не содержащие бор стекловолокна подпадают под определение согласно ASTM для Е-стекловолокон для использования в хозяйственно-бытовой области применения.Boron-free fibers are sold under the trade name ADVANTEX® (Owens Coining, Toledo, Ohio, USA). Boron-free fibers, such as those disclosed in US Pat. No. 5,789,329, incorporated herein by reference in its entirety, offer significant improvements in operating temperatures relative to boron-containing E-glass. Boron-free glass fibers fall within the ASTM definition of E-glass fibers for use in residential applications.
R-стекло является семейством стекол, которые состоят главным образом из оксидов кремния, алюминия, магния и кальция с химическим составом, который дает стекловолокна с большей механической прочностью, чем Е-стекловолокна. R-стекло имеет состав, который содержит от около 58 до около 60 мас.% SiO2, от около 23,5 до около 25,5 мас.% Al2O3, от около 14 до около 17 мас.% СаО плюс MgO и менее чем около 2 мас.% других компонентов. R-стекло содержит больше оксида алюминия и диоксида кремния, чем Е-стекло, и требует более высоких температур плавления и обработки при образовании волокон. Обычно температуры плавления и обработки для R-стекла выше, чем для Е-стекла. Это повышение температуры обработки требует использования дорогостоящего футерованного платиной плавильного устройства. Кроме того, непосредственная близость температуры ликвидуса к температуре формования у R-стекла требует того, чтобы стекло образовывало волокна при вязкости меньшей, чем у Е-стекла, которое обычно образует волокна при около 1000 пуаз или около того. Образование волокон из R-стекла при обычной вязкости 1000 пуаз будет вероятно давать расстеклование стекла, что вызывает прерывание процесса и сниженную продуктивность.R-glass is a family of glasses that consist primarily of oxides of silicon, aluminum, magnesium and calcium with a chemical composition that produces glass fibers with greater mechanical strength than E-glass fibers. R-glass has a composition that contains from about 58 to about 60 wt.% SiO 2 , from about 23.5 to about 25.5 wt.% Al 2 O 3 , from about 14 to about 17 wt.% CaO plus MgO and less than about 2 wt.% other components. R-glass contains more aluminum oxide and silica than E-glass and requires higher melting and processing temperatures to form fibers. Typically, the melting and processing temperatures for R-glass are higher than for E-glass. This increase in processing temperature requires the use of an expensive platinum-lined melting device. In addition, the close proximity of the liquidus temperature to the molding temperature of R-glass requires that the glass fiberize at a viscosity lower than that of E-glass, which typically fibers at about 1000 poise or so. R-glass fiber formation at a typical viscosity of 1000 poise will likely result in devitrification of the glass, causing process interruption and reduced productivity.
Высококачественные стекловолокна имеют большую прочность и жесткость по сравнению с традиционными волокнами из Е-стекла. В частности, для некоторых продуктов жесткость является важной для моделирования и рабочих характеристик. Например, композиты, такие как лопасти ветряных турбин, полученные из стекловолокон с хорошими свойствами жесткости, будут обеспечивать более длинные лопасти ветряных турбин на ветроэлектростанциях, в то же время сохраняя изгиб лопасти в приемлемых пределах.High quality glass fibers have greater strength and stiffness than traditional E-glass fibers. In particular, for some products, stiffness is important for modeling and performance. For example, composites such as wind turbine blades made from glass fibers with good stiffness properties will provide longer wind turbine blades in wind farms while keeping blade deflection within acceptable limits.
Кроме того, желательны высококачественные составы стекла, которые имеют предпочтительные механические и физические свойства (например, модуль упругости и предел прочности на растяжение), в то же время сохраняя желаемые способности к формованию (например, температура ликвидуса и температура волокнообразования). Модуль упругости является мерой жесткости волокна, определяющей взаимосвязь между нагрузкой, приложенной к материалу, и деформацией, создаваемой самим материалом. Жесткий материал имеет высокий модуль упругости и изменяет свою форму только незначительно при эластичных нагрузках. Гибкий материал имеет низкий модуль упругости и изменяет свою форму значительно.In addition, high quality glass compositions are desirable that have favorable mechanical and physical properties (eg, elastic modulus and tensile strength) while maintaining desired formability (eg, liquidus temperature and fiberization temperature). The modulus of elasticity is a measure of the stiffness of a fiber, defining the relationship between the load applied to the material and the deformation generated by the material itself. A rigid material has a high modulus of elasticity and changes its shape only slightly under elastic loads. The flexible material has a low modulus of elasticity and changes its shape significantly.
- 1 045341- 1 045341
Сущность настоящего изобретенияSummary of the present invention
Различные типичные варианты осуществления идей настоящего изобретения направлены на состав стекла, содержащий: SiO2 в количестве от 50,0 до 65,0 мас.%; Al2O3 в количестве от 18,0 до 23,0 мас.%; СаО в количестве от 1 до 5,0 мас.%; MgO в количестве от 9,0 до 14,0 мас.%; Na2O в количестве от 0,0 до 1,0 мас.%; K2O в количестве от 0,0 до менее чем 1,0 мас.%; Li2O в количестве от 1,0 до 4,0 мас.%; TiO2 в количестве от 0,0 до 2,5 мас.%; Y2O3 в количестве от 0 до 10,0 мас.%; La2O3 в количестве от 0 до 10,0 мас.%; Се2О3 в количестве от 0 до 5,0 мас.% и Sc2O3 в количестве от 0 до 5,0%. Состав стекла содержит общую концентрацию La2O3+Y2O3 в количестве от 2,0 до 10,0 мас.%.Various exemplary embodiments of the teachings of the present invention are directed to a glass composition containing: SiO2 in an amount of from 50.0 to 65.0 wt.%; Al 2 O 3 in an amount from 18.0 to 23.0 wt.%; CaO in an amount from 1 to 5.0 wt.%; MgO in an amount from 9.0 to 14.0 wt.%; Na 2 O in an amount from 0.0 to 1.0 wt.%; K2O in an amount of from 0.0 to less than 1.0 wt.%; Li 2 O in an amount from 1.0 to 4.0 wt.%; TiO 2 in an amount from 0.0 to 2.5 wt.%; Y 2 O 3 in an amount from 0 to 10.0 wt.%; La 2 O 3 in an amount from 0 to 10.0 wt.%; Ce 2 O 3 in an amount from 0 to 5.0 wt.% and Sc 2 O 3 in an amount from 0 to 5.0%. The glass composition contains a total concentration of La 2 O 3 +Y 2 O 3 in an amount from 2.0 to 10.0 wt.%.
В некоторых типичных вариантах осуществления стекловолокно, образованное из состава стекла, имеет модуль упругости от 88 до 115 ГПа и предел прочности на растяжение согласно ASTM D2343-09 по меньшей мере 4400 МПа.In some exemplary embodiments, the glass fiber formed from the glass composition has an elastic modulus of 88 to 115 GPa and an ASTM D2343-09 tensile strength of at least 4400 MPa.
Состав стекла может также содержать от 0 до около 7,0 мас.% Ta2O5; от 0 до около 7,0 мас.% Ga2O3; от 0 до около 2,5 мас.% Nb2O5 и от 0 до около 2,0 мас.% V2O5.The glass composition may also contain from 0 to about 7.0 wt.% Ta 2 O 5 ; from 0 to about 7.0 wt.% Ga 2 O 3 ; from 0 to about 2.5 wt.% Nb 2 O 5 and from 0 to about 2.0 wt.% V 2 O 5 .
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла по существу не содержит В2О3.In various exemplary embodiments, the glass composition is substantially free of B 2 O 3 .
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от 6,0 до 10 мас.% Y2O3.In various exemplary embodiments, the glass composition contains from 6.0 to 10 wt.% Y 2 O 3 .
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от более чем 1,5 до 10 мас.% La2O3.In various exemplary embodiments, the glass composition contains from greater than 1.5 to 10 weight percent La 2 O 3 .
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от 1,5 до 3,5 мас.% Li2O.In various exemplary embodiments, the glass composition contains from 1.5 to 3.5 wt.% Li 2 O.
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла содержит отношение MgO/(CaO+SrO) больше 2,1.In various exemplary embodiments, the glass composition contains a MgO/(CaO+SrO) ratio greater than 2.1.
В различных типичных вариантах осуществления состав содержит по меньшей мере 4 мас.% Y2O3, La2O3, Се2О3 и Sc2O3.In various exemplary embodiments, the composition contains at least 4 wt.% Y 2 O 3 , La2O3, Ce2O3 and Sc2O3.
Дополнительные типичные аспекты идей настоящего изобретения направлены на стекловолокно, образованное из состава, содержащего: SiO2 в количестве от 50,0 до 65,0 мас.%; Al2O3 в количестве от 18,0 до 23,0 мас.%; СаО в количестве от 1 до 8,5 мас.%; MgO в количестве от 9,0 до 14,0 мас.%; Na2O в количестве от 0,0 до 1,0 мас.%; K2O в количестве от 0,0 до менее чем 1,0 мас.%; Li2O в количестве от 0,0 до 4,0 мас.%; TiO2 в количестве от 0,0 до 2,5 мас.%,Y2O3 в количестве от 6,0 до 10,0 мас.%; La2O3 в количестве от 0 до 10,0 мас.%; Се2О3 в количестве от 0 до 5,0 мас.% и Sc2O3 в количестве от 0 до 5,0 мас.%. Стекловолокно имеет модуль упругости от 88 до 115 ГПа.Additional exemplary aspects of the teachings of the present invention are directed to glass fiber formed from a composition containing: SiO 2 in an amount of from 50.0 to 65.0 wt.%; Al 2 O 3 in an amount from 18.0 to 23.0 wt.%; CaO in an amount from 1 to 8.5 wt.%; MgO in an amount from 9.0 to 14.0 wt.%; Na 2 O in an amount from 0.0 to 1.0 wt.%; K2O in an amount of from 0.0 to less than 1.0 wt.%; Li 2 O in an amount from 0.0 to 4.0 wt.%; TiO 2 in an amount from 0.0 to 2.5 wt.%, Y 2 O 3 in an amount from 6.0 to 10.0 wt.%; La 2 O 3 in an amount from 0 to 10.0 wt.%; Ce 2 O 3 in an amount from 0 to 5.0 wt.% and Sc 2 O 3 in an amount from 0 to 5.0 wt.%. Glass fiber has an elastic modulus of 88 to 115 GPa.
В различных типичных вариантах осуществления состав содержит от 0,5 до 3,5 мас.% Li2O.In various exemplary embodiments, the composition contains from 0.5 to 3.5 wt.% Li 2 O.
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от более чем 1,5 до 10 мас.% La2O3.In various exemplary embodiments, the glass composition contains from greater than 1.5 to 10 weight percent La 2 O 3 .
В различных типичных вариантах осуществления состав стекла содержит отношение MgO/(CaO+SrO) больше 2,1.In various exemplary embodiments, the glass composition contains a MgO/(CaO+SrO) ratio greater than 2.1.
В различных типичных вариантах осуществления состав содержит по меньшей мере 4 мас.% Y2O3, La2O3, Се2О3 и Sc2O3.In various exemplary embodiments, the composition contains at least 4 wt.% Y 2 O 3 , La2O3, Ce2O3 and Sc2O3.
Дополнительные типичные варианты осуществления направлены на стекловолокно, которое имеет модуль упругости от 89 до 100 ГПа.Additional exemplary embodiments are directed to glass fibers that have an elastic modulus of 89 to 100 GPa.
Еще одни типичные аспекты идей настоящего изобретения направлены на способ формирования непрерывного стекловолокна, предусматривающий обеспечение расплавленного состава стекла и протягивание расплавленного состава через отверстие с получением непрерывного стекловолокна.Still other exemplary aspects of the teachings of the present invention are directed to a method of forming a continuous glass fiber comprising providing a molten glass composition and drawing the molten composition through an opening to form a continuous glass fiber.
Еще одни типичные аспекты идей настоящего изобретения направлены на армированный композитный продукт, содержащий полимерную матрицу и множество стекловолокон, образованных из состава стекла, содержащего SiO2 в количестве от 50,0 до 65,0 мас.%; Al2O3 в количестве от 18,0 до 23,0 мас.%; СаО в количестве от 1 до 5,0 мас.%; MgO в количестве от 9,0 до 14,0 мас.%; Na2O в количестве от 0,0 до 1,0 мас.%; K2O в количестве от 0,0 до менее чем 1,0 мас.%; Li2O в количестве от 1,0 до 4,0 мас.%; TiO2 в количестве от 0,0 до 2,5 мас.%, Y2O3 в количестве от 0 до 10,0 мас.%; La2O3 в количестве от 0 до 10,0 мас.%; Се2О3 в количестве от 0 до 5,0 мас.% и Sc2O3 в количестве от 0 до 5,0 мас.%. Состав стекла содержит общую концентрацию La2O3+Y2O3 в количестве от 2,0 до 10,0 мас.%.Still other exemplary aspects of the teachings of the present invention are directed to a reinforced composite product comprising a polymer matrix and a plurality of glass fibers formed from a glass composition containing SiO 2 in an amount of from 50.0 to 65.0 wt.%; Al 2 O 3 in an amount from 18.0 to 23.0 wt.%; CaO in an amount from 1 to 5.0 wt.%; MgO in an amount from 9.0 to 14.0 wt.%; Na 2 O in an amount from 0.0 to 1.0 wt.%; K2O in an amount of from 0.0 to less than 1.0 wt.%; Li 2 O in an amount from 1.0 to 4.0 wt.%; TiO 2 in an amount from 0.0 to 2.5 wt.%, Y 2 O 3 in an amount from 0 to 10.0 wt.%; La 2 O 3 in an amount from 0 to 10.0 wt.%; Ce 2 O 3 in an amount from 0 to 5.0 wt.% and Sc 2 O 3 in an amount from 0 to 5.0 wt.%. The glass composition contains a total concentration of La 2 O 3 +Y 2 O 3 in an amount from 2.0 to 10.0 wt.%.
Стекловолокна имеют модуль упругости от 88 до 115 ГПа и предел прочности на растяжение согласно ASTM D2343-09 по меньшей мере 4400 МПа.Glass fibers have an elastic modulus of 88 to 115 GPa and an ASTM D2343-09 tensile strength of at least 4400 MPa.
В некоторых типичных вариантах осуществления армированный композитный продукт находится в виде лопасти ветряной турбины.In some exemplary embodiments, the reinforced composite product is in the form of a wind turbine blade.
Вышеуказанное и другие объекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут раскрыты более полно ниже в настоящем документе при рассмотрении подробного описания, которое следует далее.The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more fully disclosed below herein by reference to the detailed description that follows.
Подробное описание настоящего изобретенияDetailed Description of the Present Invention
Если не указано иное, все технические и научные выражения, используемые в настоящем документе, имеют такое же значение, как обычно понимается специалистом в области техники, к которой относятся эти типичные варианты осуществления. Терминология, используемая в описании настоящего документа, предназначена только для описания типичных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения типичных вариантов осуществления. Следовательно, основные идеи изобретения неUnless otherwise indicated, all technical and scientific expressions used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which these exemplary embodiments relate. The terminology used in the description of this document is intended to describe exemplary embodiments only and is not intended to limit exemplary embodiments. Therefore, the basic ideas of the invention are not
- 2 045341 ограничиваются конкретными вариантами осуществления, показанными в настоящем документе. Хотя другие способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным в настоящем документе, можно использовать на практике или при тестировании настоящего изобретения, предпочтительные способы и материалы описаны в настоящем документе.- 2045341 are limited to the specific embodiments shown herein. Although other methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in the practice or testing of the present invention, the preferred methods and materials are described herein.
При использовании в описании и приложенной формуле изобретения формы единственного числа предназначены для включения также форм множественного числа, если контекст явно не указывает иное.When used in the specification and appended claims, the singular forms are intended to include also the plural forms unless the context clearly indicates otherwise.
Если не указано иное, все численные значения, выражающие количества ингредиентов, химические и молекулярные свойства, условия реакции и т.д., используемые в описании и формуле изобретения, следует понимать как модифицированные во всех случаях термином около. Следовательно, если не указано иное, численные параметры, указанные в описании и приложенной формуле изобретения, являются приближениями, которые могут изменяться в зависимости от желаемых свойств, которые стремятся получить при помощи типичных вариантов осуществления настоящего изобретения. Как минимум, каждый численный параметр должен рассматриваться в свете ряда значащих цифр и обычных подходов к округлению.Unless otherwise indicated, all numerical values expressing quantities of ingredients, chemical and molecular properties, reaction conditions, etc., used in the description and claims are to be understood as modified in all cases by the term about. Therefore, unless otherwise indicated, the numerical parameters set forth in the specification and appended claims are approximations that may vary depending on the desired properties sought to be achieved by exemplary embodiments of the present invention. At a minimum, each numerical parameter should be considered in light of the number of significant figures and conventional rounding approaches.
Несмотря на то, что численные диапазоны и параметры, описывающие широкий смысл типичных вариантов осуществления, являются приближениями, численные значения, указанные в конкретных примерах, описаны насколько возможно точно. Любое численное значение, однако, по определению содержит некоторые погрешности, заведомо получаемые из стандартного отклонения, обеспечиваемого их соответствующими тестовыми измерениями. Каждый численный диапазон, указанный в данном описании и формуле изобретения, будет включать каждый более узкий численный диапазон, который попадает в такой более широкий численный диапазон, так как если бы такие более узкие численные диапазоны все были явно описаны в настоящем документе. Кроме того, любое численное значение, указанное в примерах, можно использовать для определения или верхней, или нижней конечной точки более широкого композиционного диапазона, раскрытого в настоящем документе.Although the numerical ranges and parameters describing the broad meaning of typical embodiments are approximations, the numerical values shown in the specific examples are described as accurately as possible. Any numerical value, however, by definition contains some errors, which are inherently derived from the standard deviation provided by their respective test measurements. Each numerical range set forth in this specification and claims will include each narrower numerical range that falls within such broader numerical range as if such narrower numerical ranges were all expressly described herein. In addition, any numerical value set forth in the examples can be used to define either the upper or lower end point of the broader compositional range disclosed herein.
Настоящее раскрытие относится к высококачественному составу стекла с улучшенным модулем упругости. Такие составы стекла особенно интересны в области продуктов ветряной энергетики, таких как ветряные турбины, которые требуют более длинных лопастей для генерирования большего количества энергии. Более длинные лопасти требуют материалов с более высоким модулем упругости, чтобы выдерживать силы, приложенные к ним, без разрушения. Составы стекла настоящего изобретения содержат литий и необязательно оксиды редкоземельных элементов. Кроме того, составы стекла настоящего изобретения содержат более высокие уровни магния и оксида алюминия, чем другие составы стекла в этой области.The present disclosure relates to a high quality glass composition with improved elastic modulus. Such glass compositions are particularly interesting in the field of wind energy products, such as wind turbines, which require longer blades to generate more power. Longer blades require materials with a higher modulus of elasticity to withstand the forces applied to them without breaking. The glass compositions of the present invention contain lithium and optionally oxides of rare earth elements. In addition, the glass compositions of the present invention contain higher levels of magnesium and alumina than other glass compositions in the field.
Составы стекла, раскрытые в настоящем изобретении, подходят для плавления в традиционных коммерчески доступных стеклоплавильных печах с огнеупорной футеровкой, которые широко используются при изготовлении армирующих стекловолокон.The glass compositions disclosed in the present invention are suitable for melting in conventional commercially available refractory-lined glass melting furnaces, which are widely used in the manufacture of glass fiber reinforcements.
Состав стекла может находиться в расплавленном виде, получаемом путем плавления компонентов состава стекла в плавильном устройстве. Состав стекла характеризуется низкой температурой волокнообразования, которая определена как температура, которая соответствует вязкости расплава около 1000 пуаз, что определено согласно ASTM С965-96(2007). Снижение температуры волокнообразования может снижать стоимость стекловолокон, поскольку это обеспечивает более длительный срок службы фильеры и сниженное энергопотребление, необходимое для плавления компонентов состава стекла. Таким образом, выбрасываемая энергия обычно меньше, чем энергия, необходимая для плавления многих коммерчески доступных составов стекла.The glass composition may be in molten form, obtained by melting the components of the glass composition in a melting device. The glass composition is characterized by a low fiberization temperature, which is defined as a temperature that corresponds to a melt viscosity of about 1000 poise, as determined according to ASTM C965-96 (2007). Reducing the fiberization temperature can reduce the cost of glass fibers because it provides longer die life and reduced energy consumption required to melt the components of the glass composition. Thus, the energy released is typically less than the energy required to melt many commercially available glass compositions.
Такие более низкие требования к энергопотреблению могут также снижать общую стоимость изготовления, связанную с составом стекла.These lower energy requirements may also reduce the overall manufacturing cost associated with glass composition.
Например, при более низкой температуре волокнообразования фильера может работать при температуре охлаждающего устройства и, таким образом, не провисает так быстро, как это обычно наблюдается. Провисание - явление, которое возникает, когда фильера, которая поддерживается при повышенной температуре в течение длительных периодов времени, теряет свою определенную стабильность. Таким образом, путем снижения температуры волокнообразования скорость провисания фильеры может быть снижена, и срок службы фильеры может быть максимизирован.For example, at a lower fiberization temperature, the spinneret can operate at the temperature of the cooling device and thus does not sag as quickly as is typically observed. Sagging is a phenomenon that occurs when a die that is maintained at elevated temperature for long periods of time loses its certain stability. Thus, by lowering the fiberization temperature, the sagging rate of the die can be reduced and the life of the die can be maximized.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла имеет температуру волокнообразования менее 2650°F, включая температуры волокнообразования не более 2600°F, не более 2550°F, не более 2510°F, не более 2470°F, не более 2420°F, не более 2410°F, не более 2405°F, не более 2400°F, не более 2390°F и не более 2385°F. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла имеет температуру волокнообразования не более 2600°F, такую как не более 2500°F и не более 2200°F. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла имеет температуру волокнообразования по меньшей мере 2000°F, включая по меньшей мере 2050°F, по меньшей мере 2075°F, по меньшей мере 2100°F и по меньшей мере 2150°F.In some exemplary embodiments, the glass composition has a fiberization temperature of less than 2650°F, including fiberization temperatures of no more than 2600°F, no more than 2550°F, no more than 2510°F, no more than 2470°F, no more than 2420°F, no more 2410°F, not more than 2405°F, not more than 2400°F, not more than 2390°F and not more than 2385°F. In some exemplary embodiments, the glass composition has a fiberization temperature of no more than 2600°F, such as no more than 2500°F and no more than 2200°F. In some exemplary embodiments, the glass composition has a fiberization temperature of at least 2000°F, including at least 2050°F, at least 2075°F, at least 2100°F, and at least 2150°F.
Другим волокнообразующим свойством состава стекла является температура ликвидуса. Температура ликвидуса определена как наивысшая температура, при которой существует равновесие между жидким стеклом и его первичной кристаллической фазой. В некоторых случаях температура ликвидусаAnother fiber-forming property of glass composition is the liquidus temperature. The liquidus temperature is defined as the highest temperature at which equilibrium exists between liquid glass and its primary crystalline phase. In some cases, the liquidus temperature
- 3 045341 может быть измерена путем воздействия на состав стекла градиента температур в корыте из платинового сплава в течение 16 ч (ASTM C829-81(2005)). При всех температурах выше температуры ликвидуса стекло является полностью расплавленным, т.е. оно не содержит кристаллы. При температурах ниже температуры ликвидуса могут образовываться кристаллы.- 3 045341 can be measured by exposing the glass composition to a temperature gradient in a platinum alloy trough for 16 hours (ASTM C829-81(2005)). At all temperatures above the liquidus temperature, the glass is completely molten, i.e. it does not contain crystals. At temperatures below the liquidus temperature, crystals can form.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла имеет температуру ликвидуса ниже 2600°F, включая температуру ликвидуса не более 2500°F, не более 2450°F, не более 2405°F, не более 2350°F, не более 2300°F, не более 2250°F, не более 2225°F, не более 2200°F, не более 2175°F и не более 2150°F. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла имеет температуру ликвидуса от 2050°F до 2550°F, включая от 2130°F до 2490°F, от 2190°F до 2405°F и от 2250°F до 2450°F.In some exemplary embodiments, the glass composition has a liquidus temperature of less than 2600°F, including a liquidus temperature of no more than 2500°F, no more than 2450°F, no more than 2405°F, no more than 2350°F, no more than 2300°F, no more 2250°F, not more than 2225°F, not more than 2200°F, not more than 2175°F and not more than 2150°F. In some exemplary embodiments, the glass composition has a liquidus temperature of 2050°F to 2550°F, including 2130°F to 2490°F, 2190°F to 2405°F, and 2250°F to 2450°F.
Третьим волокнообразующим свойством является AT, которая определена как разница между температурой волокнообразования и температурой ликвидуса. Если AT слишком маленькая, расплавленное стекло может кристаллизоваться в устройстве волокнообразования и вызывать нарушение процесса изготовления. Желательно, чтобы AT была настолько большой, насколько это возможно для заданной вязкости образования, поскольку она предлагает большую степень гибкости при волокнообразовании и помогает избегать расстеклования как в системе распределения стекла, так и в устройстве волокнообразования. Большая AT дополнительно снижает стоимость производства стекловолокон путем обеспечения большего срока службы фильеры и менее чувствительного процесса формования.The third fiberizing property is AT, which is defined as the difference between the fiberization temperature and the liquidus temperature. If AT is too small, the molten glass may crystallize in the fiberizing device and cause disruption in the manufacturing process. It is desirable for AT to be as large as possible for a given formation viscosity as it offers a greater degree of flexibility in fiberization and helps avoid devitrification in both the glass distribution system and the fiberization apparatus. Large AT further reduces the cost of glass fiber production by providing longer die life and a less sensitive spinning process.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла имеет AT по меньшей мере -60°F, включая по меньшей мере -20°F, включая по меньшей мере 40°F, включая по меньшей мере 80°F, включая по меньшей мере 100°F, по меньшей мере 110°F, по меньшей мере 120°F, по меньшей мере 135°F, по меньшей мере 150°F и по меньшей мере 170°F. В различных типичных вариантах осуществления состав стекла имеет AT от 100°F до 250°F, включая от 120°F до 200°F и от 150°F до 215°F.In some exemplary embodiments, the glass composition has an AT of at least -60°F, including at least -20°F, including at least 40°F, including at least 80°F, including at least 100°F, at least 110°F, at least 120°F, at least 135°F, at least 150°F and at least 170°F. In various exemplary embodiments, the glass composition has an AT of 100°F to 250°F, including 120°F to 200°F and 150°F to 215°F.
Состав стекла может содержать от около 50,0 до около 65,0 мас.% SiO2, от около 18,0 до около 23,0 мас.% Al2O3, от около 9,0 до около 14,0 мас.% MgO, от около 1,0 до около 5,0 мас.% СаО, от около 0,0 до около 1,0 мас.% Na2O, от 0 до около менее чем 1,0 мас.% K2O, от 0 до около 2,5 мас.% TiO2, от 0 до около 0,8 мас.% Fe2O3 и от около 0,0 до около 4,0 мас.% Li2O. Состав стекла может также содержать от 0 до около 10,0 мас.% Y2O3, от 0 до около 10,0 мас.% La2O3, от 0 до около 5,0 мас.% Се2О3 и от 0 до около 5,0 мас.% Sc2O3. Состав стекла может также содержать от 0 до около 7,0 мас.% Ta2O5, от 0 до около 7,0 мас.% Ga2O3, от 0 до около 2,5 мас.% Nb2O5 и от 0 до около 2,0 мас.% V2O5.The glass composition may contain from about 50.0 to about 65.0 wt.% SiO 2 , from about 18.0 to about 23.0 wt.% Al 2 O 3 , from about 9.0 to about 14.0 wt. % MgO, from about 1.0 to about 5.0 wt.% CaO, from about 0.0 to about 1.0 wt.% Na 2 O, from 0 to about less than 1.0 wt.% K2O, from 0 to about 2.5 wt.% TiO 2 , from 0 to about 0.8 wt.% Fe 2 O 3 and from about 0.0 to about 4.0 wt.% Li 2 O. The glass composition may also contain from 0 to about 10.0 wt.% Y 2 O 3 , from 0 to about 10.0 wt.% La 2 O 3 , from 0 to about 5.0 wt.% Ce 2 O 3 and from 0 to about 5, 0 wt.% Sc 2 O 3 . The glass composition may also contain from 0 to about 7.0 wt.% Ta 2 O 5 , from 0 to about 7.0 wt.% Ga 2 O 3 , from 0 to about 2.5 wt.% Nb 2 O 5 and from 0 to about 2.0 wt.% V 2 O 5 .
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла может содержать от около 52,0 до около 60,0 мас.% SiO2, от около 18,4 до около 21,5 мас.% Al2O3, от около 9,3 до около 12,0 мас.% MgO, от около 1,5 до около 8,0 мас.% СаО, от около 0,01 до около 0,5 мас.% Na2O, от около 0,01 до около 0,5 мас.% K2O, от около 0,01 до около 2,0 мас.% TiO2, от около 0,01 до около 0,6 мас.% Fe2O3 и от около 0,1 до около 3,5 мас.% Li2O. Состав стекла может также содержать от около 1,0 до около 7,0 мас.% Y2O3, от около 1,0 до около 7,0 мас.% La2O3, от около 0,01 до около 4,0 мас.% Се2О3 и от около 0,01 до около 4,0 мас.% Sc2O3. Состав стекла может также содержать от около 0,01 до около 5,5 мас.% Та2О5, от около 0,1 до около 5,5 мас.% Ga2O3 и от около 0,01 до около 2,0 мас.% Nb2O5.In some exemplary embodiments, the glass composition may contain from about 52.0 to about 60.0 wt.% SiO 2 , from about 18.4 to about 21.5 wt.% Al 2 O 3 , from about 9.3 to about 12.0 wt% MgO, about 1.5 to about 8.0 wt% CaO, about 0.01 to about 0.5 wt% Na 2 O, about 0.01 to about 0.5 wt.% K2O, from about 0.01 to about 2.0 wt.% TiO 2 , from about 0.01 to about 0.6 wt.% Fe 2 O 3 and from about 0.1 to about 3.5 wt.% .% Li 2 O. The glass composition may also contain from about 1.0 to about 7.0 wt.% Y 2 O 3 , from about 1.0 to about 7.0 wt.% La 2 O 3 , from about 0 .01 to about 4.0 wt.% Ce 2 O 3 and from about 0.01 to about 4.0 wt.% Sc 2 O 3 . The glass composition may also contain from about 0.01 to about 5.5 wt.% Ta 2 O 5 , from about 0.1 to about 5.5 wt.% Ga 2 O 3 and from about 0.01 to about 2. 0 wt.% Nb 2 O 5 .
Состав стекла содержит по меньшей мере 50 мас.% и не более 75 мас.% SiO2. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит по меньшей мере 52 мас.% SiO2, включая по меньшей мере 55 мас.%, по меньшей мере 57 мас.%, по меньшей мере 58,5 мас.% и по меньшей мере 59 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит не более 70 мас.% SiO2, включая не более 68 мас.%, не более 65,5 мас.%, не более 64,5 мас.%, не более 62,5 мас.% и не более 60,5 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 50 мас.% до около 65 мас.% или от около 52 мас.% до около 60 мас.% SiO2.The glass composition contains at least 50 wt.% and not more than 75 wt.% SiO 2 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains at least 52 wt.% SiO 2 , including at least 55 wt.%, at least 57 wt.%, at least 58.5 wt.% and at least 59 wt. .%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains no more than 70 wt.% SiO2, including no more than 68 wt.%, no more than 65.5 wt.%, no more than 64.5 wt.%, no more than 62.5 wt.% and not more than 60.5 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 50 wt.% to about 65 wt.% or from about 52 wt.% to about 60 wt.% SiO 2 .
Для достижения как желаемых механических, так и волокнообразующих свойств одним важным аспектом состава стекла является наличие концентрации Al2O3 по меньшей мере 15,0 мас.% и не более 25 мас.%. Включение более 25 мас.% Al2O3 вызывает повышение ликвидуса стекла до уровня выше температуры волокнообразования, что дает отрицательную AT. Включение менее 15 мас.% Al2O3 дает стекловолокно с нежелательно низким модулем. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит по меньшей мере 18,0 мас.% Al2O3, включая по меньшей мере 18,4 мас.%, по меньшей мере 19,0 мас.%, по меньшей мере 19,5 мас.% и по меньшей мере 20,0 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 18.4 до около 23 мас.% Al2O3, включая от около 18,8 до около 21,5 мас.% Al2O3.To achieve both the desired mechanical and fiberizing properties, one important aspect of the glass composition is to have an Al 2 O 3 concentration of at least 15.0 wt.% and no more than 25 wt.%. The inclusion of more than 25 wt.% Al 2 O 3 causes an increase in the liquidus of glass to a level above the fiberization temperature, which gives a negative AT. Inclusion of less than 15 wt.% Al 2 O 3 produces a glass fiber with an undesirably low modulus. In some exemplary embodiments, the glass composition contains at least 18.0 wt.% Al 2 O 3 , including at least 18.4 wt.%, at least 19.0 wt.%, at least 19.5 wt. .% and at least 20.0 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 18.4 to about 23 wt.% Al 2 O 3 , including from about 18.8 to about 21.5 wt.% Al 2 O 3 .
Состав стекла также предпочтительно содержит по меньшей мере 8,0 мас.% и не более 15 мас.% MgO. Включение более чем 15 мас.% MgO будет вызывать повышение температуры ликвидуса, что также повышает тенденцию к кристаллизации стекла. Включение менее 8,0 мас.% дает стекловолокно с нежелательно низким модулем, если замещено при помощи СаО, и нежелательное повышение вязкости, если замещено при помощи SiO2. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит по меньшей мере 9,0 мас.% MgO, включая по меньшей мере 9,2 мас.%, по меньшей мере 9,3 мас.%, по меньшей мере 9,8 мас.%, по меньшей мере 10 мас.%, по меньшей мере 10,5 мас.%, по меньшей мере 11,0 мас.%, по меньшей мере 11,5 мас.%, по меньшей мере 12,0 мас.% и по меньшей мере 13 мас.% MgO.The glass composition also preferably contains at least 8.0 wt.% and no more than 15 wt.% MgO. The inclusion of more than 15 wt.% MgO will cause an increase in the liquidus temperature, which also increases the tendency for glass to crystallize. Inclusion of less than 8.0 wt.% produces a glass fiber with an undesirably low modulus if substituted with CaO, and an undesirable increase in viscosity if substituted with SiO2. In some exemplary embodiments, the glass composition contains at least 9.0 wt% MgO, including at least 9.2 wt%, at least 9.3 wt%, at least 9.8 wt%, at least 10 wt.%, at least 10.5 wt.%, at least 11.0 wt.%, at least 11.5 wt.%, at least 12.0 wt.% and at least at least 13 wt.% MgO.
- 4 045341- 4 045341
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит концентрацию MgO от околоIn some exemplary embodiments, the glass composition contains a MgO concentration of about
9,0 до около 14 мас.% или от около 9,3 до около 12 мас.%.9.0 to about 14 wt.% or from about 9.3 to about 12 wt.%.
Состав стекла может необязательно содержать СаО в концентрации до около 10,0 мас.%. Включение более чем 10 мас.% СаО дает стекло с низким модулем упругости. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от 0 до 9 мас.% СаО, включая от 0,5 до 8,8 мас.%, от 1,0 до 8,5 мас.%, от 1,5 до 8,0 мас.% и от 2,0 до 7,5 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от 1,0 до 5,0 мас.% СаО, или от 1,2 до 4,7 мас.% СаО, или от 1,3 до 4,55 мас.% СаО.The glass composition may optionally contain CaO at a concentration of up to about 10.0 wt%. Inclusion of more than 10 wt.% CaO produces a glass with a low elastic modulus. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from 0 to 9 wt.% CaO, including from 0.5 to 8.8 wt.%, from 1.0 to 8.5 wt.%, from 1.5 to 8.0 wt.% and from 2.0 to 7.5 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from 1.0 to 5.0 wt.% CaO, or from 1.2 to 4.7 wt.% CaO, or from 1.3 to 4.55 wt.% CaO.
В некоторых типичных вариантах осуществления общая концентрация MgO и СаО составляет по меньшей мере 10 мас.% и не более 22 мас.%, включая от 12,5 мас.% до 20 мас.% и от 14 мас.% до 18,5 мас.%.In some exemplary embodiments, the total concentration of MgO and CaO is at least 10 wt.% and no more than 22 wt.%, including from 12.5 wt.% to 20 wt.% and from 14 wt.% to 18.5 wt. .%.
Состав стекла может содержать до около 3,0 мас.% TiO2. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 мас.% до около 2,5 мас.% TiO2, включая от около 0,01 мас.% до около 2,0 мас.% и от около 0,1 до около 0,75 мас.%.The glass composition may contain up to about 3.0 wt.% TiO 2 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 wt.% to about 2.5 wt.% TiO 2 , including from about 0.01 wt.% to about 2.0 wt.% and from about 0.1 to about 0.75 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 1,0 мас.% Fe2O3. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от 0 мас.% до около 0,8 мас.% Fe2O3, включая от около 0,01 мас.% до около 0,6 мас.% и от около 0,1 до около 0,35 мас.%.The glass composition may contain up to about 1.0 wt.% Fe 2 O 3 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from 0 wt.% to about 0.8 wt.% Fe 2 O 3 , including from about 0.01 wt.% to about 0.6 wt.% and from about 0.1 to about 0.35 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 5,0 мас.% Li2O. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0,0 мас.% до около 4,0 мас.% Li2O, включая от около 0,1 мас.% до около 3,5 мас.% и от около 0,5 до около 3,0 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 1,0 до около 4,0 мас.% Li2O или от около 1,5 до около 3,8 мас.% Li2O.The glass composition may contain up to about 5.0 wt.% Li 2 O. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0.0 wt.% to about 4.0 wt.% Li 2 O, including from about 0.1 wt.% to about 3.5 wt.% and from about 0.5 to about 3.0 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 1.0 to about 4.0 weight percent Li 2 O or from about 1.5 to about 3.8 weight percent Li 2 O.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит менее 2,0 мас.% оксидов щелочных металлов Na2O и K2O, включая от 0 до 1,5 мас.%, от 0,05 до 0,75 мас.% и от 0,1 до 0,25 мас.%. Состав стекла может содержать как Na2O, так и K2O в количестве более 0,01 мас.% каждого оксида. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 до около 1 мас.% Na2O, включая от около 0,01 до около 0,5 мас.%, от около 0,03 до около 0,3 мас.% и от 0,04 до около 0,15 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 до около 1 мас.% K2O, включая от около 0,01 до около 0,5 мас.%, от около 0,03 до около 0,3 мас.% и от 0,04 до около 0,15 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит менее 1,0 мас.% K2O, например, менее 0,75 мас.% или менее 0,50 мас.%.In some exemplary embodiments, the glass composition contains less than 2.0 wt% alkali metal oxides Na 2 O and K2O, including 0 to 1.5 wt%, 0.05 to 0.75 wt%, and 0. 1 to 0.25 wt.%. The glass composition may contain both Na 2 O and K2O in amounts greater than 0.01 wt.% of each oxide. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 to about 1 wt.% Na 2 O, including from about 0.01 to about 0.5 wt.%, from about 0.03 to about 0.3 wt.% and from 0.04 to about 0.15 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 to about 1 wt.% K2O, including from about 0.01 to about 0.5 wt.%, from about 0.03 to about 0.3 wt.% and from 0 .04 to about 0.15 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains less than 1.0 wt% K2O, such as less than 0.75 wt% or less than 0.50 wt%.
Состав стекла может содержать до около 1,5 мас.% ZrO2. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0,01 мас.% до около 1,0 мас.% ZrO2, включая от около 0,05 мас.% до около 0,8 мас.% и от около 0,1 до около 0,5 мас.%.The glass composition may contain up to about 1.5 wt.% ZrO 2 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0.01 wt.% to about 1.0 wt.% ZrO 2 , including from about 0.05 wt.% to about 0.8 wt.% and from about 0.1 up to about 0.5 wt.%.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит до 15,0 мас.% оксидов редкоземельных элементов Y2O3, La2O3, Се2О3 и Sc2O3 (R2O3), включая от 0 до 12,0 мас.% или от 1,0 до 10,0 мас.%. Состав стекла может содержать любой из оксидов R2O3 в количестве более 0,01 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 до около 10 мас.% Y2O3, включая от около 1,0 до около 9,9 мас.%, от около 3,0 до около 9,5 мас.% и от 6,0 до около 9,0 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 до около 10 мас.% La2O3, включая от около 0,01 до около 7,5 мас.%, от около 0,05 до около 4,0 мас.% и от 0,1 до около 3,0 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 до около 5,0 мас.% Се2О3, включая от около 0,01 до около 4,0 мас.%, от около 0,05 до около 2,0 мас.% и от 0,1 до около 1,5 мас.%. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0 до около 5 мас.% Sc2O3, включая от около 0,01 до около 4,0 мас.%, от около 0,05 до около 3,2 мас.% и от 0,1 до около 3,0 мас.%.In some typical embodiments, the glass composition contains up to 15.0 wt.% rare earth oxides Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 and Sc 2 O 3 (R 2 O 3 ), including from 0 to 12, 0 wt.% or from 1.0 to 10.0 wt.%. The glass composition may contain any of the R2O3 oxides in an amount of more than 0.01 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 to about 10 wt.% Y 2 O 3 , including from about 1.0 to about 9.9 wt.%, from about 3.0 to about 9.5 wt.% and from 6.0 to about 9.0 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 to about 10 wt.% La 2 O 3 , including from about 0.01 to about 7.5 wt.%, from about 0.05 to about 4.0 wt.% and from 0.1 to about 3.0 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 to about 5.0 wt.% Ce 2 O 3 , including from about 0.01 to about 4.0 wt.%, from about 0.05 to about 2.0 wt. .% and from 0.1 to about 1.5 wt.%. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0 to about 5 wt.% Sc 2 O 3 , including from about 0.01 to about 4.0 wt.%, from about 0.05 to about 3.2 wt.% and from 0.1 to about 3.0 wt.%.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит общую концентрацию CeO2+Sc2O3, которая составляет по меньшей мере 1,0 мас.%, включая по меньшей мере 1,5 мас.%, по меньшей мере 1,75 мас.%, по меньшей мере 2,0 мас.%, по меньшей мере 2,1 мас.%, по меньшей мере 2,2 мас.% и по меньшей мере 2,5 мас.%.In some exemplary embodiments, the glass composition contains a total concentration of CeO 2 +Sc 2 O 3 that is at least 1.0 wt.%, including at least 1.5 wt.%, at least 1.75 wt.% , at least 2.0 wt.%, at least 2.1 wt.%, at least 2.2 wt.% and at least 2.5 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 7,0 мас.% Ta2O5. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0,01 мас.% до около 5,5 мас.% Ta2O5, включая от около 0,05 мас.% до около 3,5 мас.% и от около 0,1 до около 3,0 мас.%.The glass composition may contain up to about 7.0 wt.% Ta 2 O 5 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0.01 wt.% to about 5.5 wt.% Ta 2 O 5 , including from about 0.05 wt.% to about 3.5 wt.% and from about 0 .1 to about 3.0 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 7,0 мас.% Ga2O3. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0,01 мас.% до около 5,5 мас.% Ga2O3, включая от около 0,05 мас.% до около 5,0 мас.% и от около 0,1 до около 4,5 мас.%.The glass composition may contain up to about 7.0 wt.% Ga 2 O 3 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0.01 wt.% to about 5.5 wt.% Ga 2 O 3 , including from about 0.05 wt.% to about 5.0 wt.% and from about 0 .1 to about 4.5 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 2,5 мас.% Nb2O5. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0,01 мас.% до около 2,0 мас.% Nb2O5, включая от около 0,05 мас.% до около 1,5 мас.% и от около 0,1 до около 0,7 мас.%.The glass composition may contain up to about 2.5 wt.% Nb 2 O 5 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0.01 wt.% to about 2.0 wt.% Nb 2 O 5 , including from about 0.05 wt.% to about 1.5 wt.% and from about 0 .1 to about 0.7 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 2,0 мас.% V2O5. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от около 0,01 мас.% до около 1,5 мас.% V2O5, включая от около 0,05 мас.% до около 1,2 мас.% и от около 0,1 до около 1,0 мас.%.The glass composition may contain up to about 2.0 wt.% V 2 O 5 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains from about 0.01 wt.% to about 1.5 wt.% V 2 O 5 , including from about 0.05 wt.% to about 1.2 wt.% and from about 0 .1 to about 1.0 wt.%.
Составы стекла могут содержать до около 1,0 мас.% Sm2O3 и/или Gd2O3. Однако различные типичные варианты осуществления ограничивают общую концентрацию Sm2O3 и Gd2O3 до менее чемGlass compositions may contain up to about 1.0 wt.% Sm 2 O 3 and/or Gd 2 O 3 . However, various exemplary embodiments limit the total concentration of Sm 2 O 3 and Gd 2 O 3 to less than
- 5 045341- 5 045341
0,5 мас.%, включая менее 0,1 мас.% и менее 0,05 мас.%.0.5 wt.%, including less than 0.1 wt.% and less than 0.05 wt.%.
Состав стекла может содержать до около 5,0 мас.% ZnO. В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит от 0 мас.% до около 2,5 мас.% ZnO, включая от около 0,01 мас.% до около 2,0 мас.% и от около 0,1 до около 1,0 мас.%.The glass composition may contain up to about 5.0 wt.% ZnO. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from 0 wt.% to about 2.5 wt.% ZnO, including from about 0.01 wt.% to about 2.0 wt.% and from about 0.1 to about 1. 0 wt.%.
Составы стекла настоящего изобретения могут не содержать или по существу не содержать В2О3 и фтор, хотя любой из них может быть добавлен в небольших количествах для регулирования волокнообразующих свойств и окончательных свойств стекла и не будет отрицательно влиять на свойства, если поддерживается на уровне ниже нескольких процентов. При использовании в настоящем документе по существу не содержит В2О3 и фтор означает, что сумма количеств присутствующих В2О3 и фтора составляет менее 1,0 мас.% состава. Сумма количеств присутствующих В2О3 и фтора может быть менее чем около 0,5 мас.% состава, включая менее чем около 0,2 мас.%, менее чем около 0,1 мас.% и менее чем около 0,05 мас.%.The glass compositions of the present invention may contain no or substantially no B 2 O 3 and fluorine, although either may be added in small amounts to control the fiberizing properties and final properties of the glass and will not adversely affect the properties if maintained below several percent. As used herein, it is substantially free of B 2 O 3 and fluorine, meaning that the sum of the amounts of B 2 O 3 and fluorine present is less than 1.0% by weight of the composition. The sum of the amounts of B 2 O 3 and fluorine present may be less than about 0.5 wt.% of the composition, including less than about 0.2 wt.%, less than about 0.1 wt.% and less than about 0.05 wt. .%.
Составы стекла могут также содержать примеси и/или следовые материалы без отрицательного влияния на стекла или волокна. Эти примеси могут входить в стекло в виде примесей сырьевых материалов или могут быть продуктами, полученными при химической реакции расплавленного стекла с компонентами печи. Неограничивающие примеры следовых материалов включают стронций, барий и их комбинации. Следовые материалы могут присутствовать в их оксидных формах и могут также включать фтор и/или хлор. В некоторых типичных вариантах осуществления составы стекла настоящего изобретения содержат не более чем 1,0 мас.%, включая менее 0,5 мас.%, менее 0,2 мас.% и менее 0,1 мас.%, каждого из BaO, SrO, P2O5 и SO3. В частности, состав стекла может содержать менее чем около 5,0 мас.% суммарно BaO, SrO, P2O5 и/или SO3, причем каждый из BaO, SrO, P2O5 и SO3, если вообще присутствует, находится в количестве менее 1,0 мас.%.Glass formulations may also contain impurities and/or trace materials without adversely affecting the glasses or fibers. These impurities may enter the glass as raw material impurities or may be products obtained from the chemical reaction of the molten glass with the furnace components. Non-limiting examples of trace materials include strontium, barium, and combinations thereof. Trace materials may be present in their oxide forms and may also include fluorine and/or chlorine. In some exemplary embodiments, the glass compositions of the present invention contain no more than 1.0 wt%, including less than 0.5 wt%, less than 0.2 wt%, and less than 0.1 wt%, each of BaO, SrO , P 2 O 5 and SO 3 . In particular, the glass composition may contain less than about 5.0 wt.% in total BaO, SrO, P 2 O 5 and/or SO 3 , each of BaO, SrO, P 2 O 5 and SO 3 , if present at all, is present in an amount of less than 1.0 wt.%.
В некоторых типичных вариантах осуществления состав стекла содержит отношение MgO/(CaO+SrO), которое составляет по меньшей мере 1,5, включая по меньшей мере 1,7, по меньшей мере 2,0, по меньшей мере 2,1, по меньшей мере 2,2 и по меньшей мере 2,3.In some exemplary embodiments, the glass composition contains a MgO/(CaO+SrO) ratio that is at least 1.5, including at least 1.7, at least 2.0, at least 2.1, at least at least 2.2 and at least 2.3.
При использовании в настоящем документе термины массовый процент, % по массе, мас.% и процент по массе можно использовать взаимозаменяемо, и они понимаются как означающие массовый процент (или процент по массе) в пересчете на общий состав.When used herein, the terms weight percent, weight %, wt.% and weight percent can be used interchangeably and are understood to mean weight percent (or weight percent) based on the total composition.
Как указано выше, составы стекла настоящего изобретения неожиданно показывают оптимизированный модуль упругости, в то же время сохраняя желаемые свойства для формования.As stated above, the glass compositions of the present invention surprisingly exhibit optimized modulus while maintaining desirable molding properties.
Предел прочности на растяжение волокна также называется в настоящем документе просто прочностью. В некоторых типичных вариантах осуществления предел прочности на растяжение измеряют для свежевыработанных волокон (т.е. не проклеенных и нетронутых полученных в лабораторных условиях волокон), используя устройство для тестирования прочности на растяжение Instron согласно ASTM D2343-09. Типичные стекловолокна, полученные из описанного выше состава стекла настоящего изобретения, могут иметь предел прочности на растяжение волокна по меньшей мере 4000 МПа, включая по меньшей мере 4250 МПа, по меньшей мере 4400 МПа, по меньшей мере 4500 МПа, по меньшей мере 4800 МПа, по меньшей мере 4900 МПа, по меньшей мере 4950 МПа, по меньшей мере 5000 МПа, по меньшей мере 5100 МПа, по меньшей мере 5150 МПа и по меньшей мере 5200 МПа. В некоторых типичных вариантах осуществления стекловолокна, полученные из описанного выше состава, имеют предел прочности на растяжение волокна от около 4200 до около 5500 МПа, включая от около 4300 МПа до около 5350 МПа, от около 4600 до около 5315 МПа. Предпочтительно комбинация композиционных параметров, раскрытых в настоящем документе, делает возможным получение стекловолокон, имеющих пределы прочности на растяжение по меньшей мере 4800 МПа, включая по меньшей мере 4900 МПа и по меньшей мере 5000, что еще не достигалось в уровне техники с составом стекла, имеющим желаемые волокнообразующие свойства.The tensile strength of the fiber is also referred to herein simply as strength. In some exemplary embodiments, tensile strength is measured on fresh fibers (i.e., unglued and intact lab-generated fibers) using an Instron tensile strength tester according to ASTM D2343-09. Typical glass fibers produced from the glass composition of the present invention described above may have a fiber tensile strength of at least 4000 MPa, including at least 4250 MPa, at least 4400 MPa, at least 4500 MPa, at least 4800 MPa, at least 4900 MPa, at least 4950 MPa, at least 5000 MPa, at least 5100 MPa, at least 5150 MPa and at least 5200 MPa. In some exemplary embodiments, glass fibers produced from the composition described above have a fiber tensile strength of from about 4200 MPa to about 5500 MPa, including from about 4300 MPa to about 5350 MPa, from about 4600 MPa to about 5315 MPa. Preferably, the combination of compositional parameters disclosed herein makes it possible to obtain glass fibers having tensile strengths of at least 4800 MPa, including at least 4900 MPa and at least 5000, which has not yet been achieved in the prior art with a glass composition having desired fiber-forming properties.
Модуль упругости стекловолокна можно определять, беря средние измерения от пяти отдельных стекловолокон, измеренные согласно процедуре акустического измерения, изложенной в отчете Glass Fiber Drawing and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory, Report Number NOLTR 6587, June 23, 1965.The modulus of elasticity of a glass fiber can be determined by taking the average measurements from five individual glass fibers measured according to the acoustic measurement procedure outlined in the report Glass Fiber Drawing and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory, Report Number NOLTR 6587, June 23, 1965.
Типичные стекловолокна, полученные из состава стекла настоящего изобретения, могут иметь модуль упругости по меньшей мере около 88 ГПа, включая по меньшей мере около 89,5 ГПа, по меньшей мере около 90,5 ГПа, по меньшей мере около 91 ГПа, по меньшей мере около 93 ГПа, по меньшей мере около 95 ГПа или по меньшей мере около 96 ГПа. В некоторых типичных вариантах осуществления типичные стекловолокна, полученные из состава стекла настоящего изобретения, имеют модуль упругости от около 88 ГПа до около 115 ГПа, включая от около 89 ГПа до около 100 ГПа и от около 93,1 ГПа до около 98 ГПа.Typical glass fibers produced from the glass composition of the present invention may have an elastic modulus of at least about 88 GPa, including at least about 89.5 GPa, at least about 90.5 GPa, at least about 91 GPa, at least about 93 GPa, at least about 95 GPa, or at least about 96 GPa. In some exemplary embodiments, typical glass fibers produced from the glass composition of the present invention have an elastic modulus of from about 88 GPa to about 115 GPa, including from about 89 GPa to about 100 GPa and from about 93.1 GPa to about 98 GPa.
Модуль упругости можно затем использовать для определения удельного модуля. Желательно иметь удельный модуль насколько возможно высоким, чтобы обеспечивать легкий композитный материал, который добавляет жесткость готовому изделию. Удельный модуль важен в применениях, где жесткость продукта является важным параметром, таких как в ветровой энергии и применениях для авиации и космонавтики. При использовании в настоящем документе удельный модуль рассчитывают согласноThe elastic modulus can then be used to determine the specific modulus. It is desirable to have the specific modulus as high as possible to provide a lightweight composite material that adds stiffness to the finished product. Specific modulus is important in applications where product stiffness is an important parameter, such as in wind power and aerospace applications. When used herein, the specific modulus is calculated according to
- 6 045341 следующему уравнению:- 6 045341 to the following equation:
Удельный модуль (МДж/кг) = Модуль (ГПа)/Плотность(кг/кубический метр).Specific modulus (MJ/kg) = Modulus (GPa)/Density (kg/cubic meter).
Типичные стекловолокна, полученные из состава стекла настоящего изобретения, имеют удельный модуль от около 33,0 МДж/кг до около 40,0 МДж/кг, включая от около 34,1 МДж/кг до около 37 МДж/кг и от около 34,5 МДж/кг до около 36,5 МДж/кг.Typical glass fibers produced from the glass composition of the present invention have a specific modulus of from about 33.0 MJ/kg to about 40.0 MJ/kg, including from about 34.1 MJ/kg to about 37 MJ/kg and from about 34. 5 MJ/kg to about 36.5 MJ/kg.
Плотность может быть измерена любым методом, известным и обычно признаваемым в данной области, таким как метод Архимеда (ASTM С693-93(2008)) на неотожженной массе стекла. Стекловолокна имеют плотность от около 2,0 до около 3,0 г/см3. В других типичных вариантах осуществления стекловолокна имеют плотность от около 2,3 до около 2,8 г/см3, включая от около 2,4 до около 2,78 г/см3 и от около 2,50 до около 2,75 г/см3.Density can be measured by any method known and generally accepted in the art, such as the Archimedes method (ASTM C693-93(2008)) on green glass. Glass fibers have a density of about 2.0 to about 3.0 g/cm 3 . In other exemplary embodiments, the glass fibers have a density of from about 2.3 to about 2.8 g/cm 3 , including from about 2.4 to about 2.78 g/cm 3 and from about 2.50 to about 2.75 g/cm 3 /cm 3 .
Согласно некоторым типичным вариантам осуществления обеспечивается способ получения стекловолокон из состава стекла, описанного выше. Стекловолокна могут быть получены любыми средствами, известными и традиционно используемыми в данной области. В некоторых типичных вариантах осуществления стекловолокна формируют путем получения сырьевых ингредиентов и смешивания ингредиентов в соответствующих количествах с получением желаемых массовых процентов в готовом составе. Способ может также предусматривать обеспечение состава стекла настоящего изобретения в расплавленном виде и протягивание расплавленного состава через отверстия в фильере с получением стекловолокна.According to some exemplary embodiments, a method is provided for producing glass fibers from the glass composition described above. Glass fibers can be produced by any means known and conventionally used in the art. In some exemplary embodiments, glass fibers are formed by obtaining raw ingredients and mixing the ingredients in appropriate quantities to obtain the desired weight percentages in the finished composition. The method may also include providing the glass composition of the present invention in molten form and drawing the molten composition through holes in a die to produce glass fiber.
Компоненты состава стекла можно получать из подходящих ингредиентов или сырьевых материалов, включая, помимо прочего, песок или пирофиллит для SiO2, известняк, жженую известь, волластонит или доломит для СаО, каолин, оксид алюминия или пирофиллит для Al2O3, доломит, негашеную известь, брусит, энстатит, тальк, жженый магнезит или магнезит для MgO и карбонат натрия, альбит или сульфат натрия для Na2O. В некоторых типичных вариантах осуществления стеклянный бой можно использовать для обеспечения одного или более необходимых оксидов.Glass composition components can be prepared from suitable ingredients or raw materials, including, but not limited to, sand or pyrophyllite for SiO 2 , limestone, burnt lime, wollastonite or dolomite for CaO, kaolin, alumina or pyrophyllite for Al 2 O 3 , dolomite, quicklime lime, brucite, enstatite, talc, calcined magnesite or magnesite for MgO and sodium carbonate, albite or sodium sulfate for Na 2 O. In some exemplary embodiments, cullet can be used to provide one or more of the required oxides.
Смешанная шихта может быть затем расплавлена в печи или плавильном устройстве и полученное расплавленное стекло проходит вдоль форкамеры и протягивается через отверстия фильеры, расположенной на дне форкамеры с получением отдельных стеклянных нитей. В некоторых типичных вариантах осуществления печь или плавильное устройство представляет собой традиционное огнеупорное плавильное устройство. Путем использования огнеупорного резервуара, полученного из огнеупорных блоков, стоимость изготовления, связанная с получением стекловолокон, полученных из состава настоящего изобретения, может быть снижена. В некоторых типичных вариантах осуществления фильера представляет собой фильеру на основе платинового сплава. Пряди из стекловолокон можно затем формовать, собирая вместе отдельные нити. Пряди из волокон можно наматывать и дополнительно обрабатывать обычным образом, подходящим для предполагаемого применения.The mixed batch can then be melted in a furnace or melting apparatus and the resulting molten glass passes along the prechamber and is drawn through the holes of a die located at the bottom of the prechamber to produce individual glass strands. In some exemplary embodiments, the furnace or melting device is a traditional refractory melting device. By using a refractory container made from refractory blocks, the manufacturing cost associated with producing glass fibers obtained from the composition of the present invention can be reduced. In some exemplary embodiments, the die is a platinum alloy die. Strands of glass fibers can then be formed by gathering individual strands together. The fiber strands can be wound and further processed in a conventional manner suitable for the intended application.
Рабочие температуры стекла в плавильном устройстве, форкамеры и фильеры можно выбирать так, чтобы соответствующим образом регулировать вязкость стекла, и чтобы их можно было поддерживать при помощи подходящих способов, таких как устройства контроля. Температуру на переднем конце плавильного устройства можно автоматически контролировать, чтобы снижать или исключать расстеклование. Расплавленное стекло можно затем протягивать (вытягивать) через дыры или отверстия в нижней или концевой пластине фильеры с получением стекловолокон. Согласно некоторым типичным вариантам осуществления потоки расплавленного стекла, текущие через отверстия фильеры, уменьшаются до нитей путем наматывания пряди, образованной из множества отдельных нитей на формующую трубку, установленную на вращающейся гильзе намоточной машины, или рубят при настраиваемой скорости. Стекловолокна настоящего изобретения получаются любым из способов, описанных в настоящем документе, или любым известным способом для формирования стекловолокон.The operating temperatures of the glass in the melting apparatus, pre-chamber and die can be selected to suitably control the viscosity of the glass and can be maintained by suitable means such as control devices. The temperature at the front end of the melting device can be automatically controlled to reduce or eliminate devitrification. The molten glass can then be drawn (pulled) through holes or openings in the bottom or end plate of the die to produce glass fibers. In some exemplary embodiments, streams of molten glass flowing through the die openings are reduced to filaments by winding a strand formed from a plurality of individual filaments onto a forming tube mounted on a rotating sleeve of a winding machine, or chopping at a controlled speed. The glass fibers of the present invention are produced by any of the methods described herein or by any known method for forming glass fibers.
Волокна можно дополнительно обрабатывать обычным образом, подходящим для предполагаемого применения. Например, в некоторых типичных вариантах осуществления стекловолокна проклеивают проклеивающим составом, известным специалистам в данной области. Проклеивающий состав никоим образом не ограничен и может быть любым проклеивающим составом, подходящим для нанесения на стекловолокна. Проклеенные волокна можно использовать для армирования субстратов, таких как разнообразные пластики, если конечный пользователь продукта требует высокой прочности и жесткости и малого веса. Такие применения включают, помимо прочего, тканые материалы для использования при формировании лопастей ветряных турбин; внутренней структуры, такой как армирующий бетон, мосты и пр.; и аэрокосмическая техника.The fibers can be further processed in a conventional manner suitable for the intended application. For example, in some exemplary embodiments, glass fibers are sized with a sizing composition known to those skilled in the art. The sizing composition is not limited in any way and can be any sizing composition suitable for application to glass fibers. Bonded fibers can be used to reinforce substrates such as a variety of plastics if the end user of the product requires high strength and stiffness and low weight. Such applications include, but are not limited to, woven materials for use in forming wind turbine blades; internal structure such as reinforcing concrete, bridges, etc.; and aerospace engineering.
При этом некоторые типичные варианты осуществления настоящего изобретения включают композитный материал, содержащий стекловолокна настоящего изобретения, как описано выше, в комбинации с отверждающимся материалом матрицы. Он может также называться в настоящем документе армированным композитным продуктом. Материал матрицы может быть любой подходящей термопластичной или термореактивной смолой, известной специалистам в данной области, такой как, помимо прочего, термопластики, такие как сложные полиэфиры, полипропилен, полиамид, полиэтилентерефталат и полибутилен, и термореактивные смолы, такие как эпоксидные смолы, ненасыщенные сложные полиэфиры, фенольные смолы, сложные виниловые эфиры и эластомеры. Эти смолы можно использовать по отдель- 7 045341 ности или в комбинации. Армированный композитный продукт можно использовать для лопастей ветряных турбин, арматурного стержня, трубы, обмотки из волокна, наполнителя шумоглушителя, звукопоглощения и подобного.However, some typical embodiments of the present invention include a composite material containing glass fibers of the present invention, as described above, in combination with a curable matrix material. It may also be referred to herein as a reinforced composite product. The matrix material may be any suitable thermoplastic or thermoset resin known to those skilled in the art, such as, but not limited to, thermoplastics such as polyesters, polypropylene, polyamide, polyethylene terephthalate and polybutylene, and thermoset resins such as epoxy resins, unsaturated polyesters , phenolic resins, vinyl esters and elastomers. These resins can be used individually or in combination. The reinforced composite product can be used for wind turbine blades, reinforcing bar, pipe, fiber winding, muffler filler, sound absorption and the like.
Согласно дополнительным типичным вариантам осуществления настоящее изобретение обеспечивает способ получения композитного продукта, как описано выше. Способ может предусматривать объединение по меньшей мере одного полимерного материала матрицы с множеством стекловолокон. Как полимерный материал матрицы, так и стекловолокна могут быть такими, как описано выше.According to further exemplary embodiments, the present invention provides a method for producing a composite product as described above. The method may include combining at least one polymer matrix material with a plurality of glass fibers. Both the matrix polymer material and the glass fibers may be as described above.
ПримерыExamples
Типичные составы стекла согласно настоящему изобретению получали путем смешивания компонентов шихты в пропорциональных количествах для получения готового состава стекла с массовыми процентами оксидов, указанными в табл. 1-9 ниже.Typical glass compositions according to the present invention were prepared by mixing the components of the charge in proportional quantities to obtain a finished glass composition with the mass percentages of oxides indicated in table. 1-9 below.
Сырьевые материалы плавили в платиновом тигле в электропечи при температуре 1650°С в течение 3 ч.Raw materials were melted in a platinum crucible in an electric furnace at a temperature of 1650°C for 3 hours.
Температуру волокнообразования измеряли при помощи метода с вращающимся цилиндром, как описано в ASTM С965-96(2007), под названием Стандартная практика для измерения вязкости стекла выше температуры размягчения, содержание которого включено ссылкой в настоящий документ. Температуру ликвидуса измеряли путем воздействия на стекло градиента температур в корыте из платинового сплава в течение 16 ч, как определено в ASTM C829-81(2005), под названием Стандартные практики для измерения температуры ликвидуса стекла, содержание которого включено ссылкой в настоящий документ. Плотность измеряли согласно методу Архимеда, как подробно описано в ASTM C69393(2008), под названием Стандартный метод тестирования плотности стекла посредством плавучести, содержание которого включено ссылкой в настоящий документ.The fiberization temperature was measured using the rotating cylinder method as described in ASTM C965-96 (2007), entitled Standard Practice for Measuring the Viscosity of Glass Above the Softening Point, the contents of which are incorporated by reference herein. The liquidus temperature was measured by exposing the glass to a temperature gradient in a platinum alloy trough for 16 hours, as defined in ASTM C829-81(2005), entitled Standard Practices for the Measurement of Liquidus Temperature of Glass, the contents of which are incorporated by reference herein. Density was measured according to the Archimedes method as detailed in ASTM C69393(2008), entitled Standard Test Method for Glass Density by Buoyancy, the contents of which are incorporated by reference herein.
Удельный модуль рассчитывали путем деления измеренного модуля в единицах ГПа на плотность в единицах кг/м3.The specific modulus was calculated by dividing the measured modulus in GPa units by the density in kg/m 3 units.
Прочность измеряли на свежевыработанном волокне, используя устройство тестирования прочности на растяжение Instron согласно ASTM D2343-09 под названием Стандартный метод тестирования механических свойств при растяжении стекловолоконных прядей, пряжи и ровинга, используемых в армированных пластиках, содержание которого включено ссылкой в настоящий документ.Strength was measured on fresh fiber using an Instron tensile strength tester per ASTM D2343-09 entitled Standard Test Method for Tensile Mechanical Properties of Fiberglass Strands, Yarns, and Rovings Used in Reinforced Plastics, the contents of which are incorporated by reference herein.
- 8 045341- 8 045341
Таблица 1Table 1
- 9 045341- 9 045341
Таблица 2table 2
- 10 045341- 10 045341
Таблица 3Table 3
- 11 045341- 11 045341
Таблица 4Table 4
- 12 045341- 12 045341
Таблица 5Table 5
- 13 045341- 13 045341
Таблица 6Table 6
- 14 045341- 14 045341
Таблица 7Table 7
- 15 045341- 15 045341
Таблица 8Table 8
- 16 045341- 16 045341
Таблица 9Table 9
- 17 045341- 17 045341
Таблица 10Table 10
Табл.Table
Claims (20)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/771,250 | 2018-11-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA045341B1 true EA045341B1 (en) | 2023-11-16 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11524918B2 (en) | High performance fiberglass composition with improved specific modulus | |
| US11214512B2 (en) | High performance fiberglass composition | |
| US11306021B2 (en) | High performance fiberglass composition with improved elastic modulus | |
| CN108947261B (en) | Composition for preparing high-strength light glass fiber and application thereof | |
| EP2630095A2 (en) | Glass composition for producing high strength and high modulus fibers | |
| JP2023510200A (en) | Fiberglass composition for higher modulus | |
| EA045341B1 (en) | HIGH-QUALITY FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED ELASTIC MODULE | |
| RU2777258C2 (en) | High-quality fiberglass composition | |
| EA046930B1 (en) | HIGH-QUALITY FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED SPECIFIC MODULE OF ELASTICITY | |
| KR102768030B1 (en) | High-performance fiberglass composition with improved modulus | |
| KR20250024866A (en) | High performance fiberglass composition with improved specific modulus | |
| EA048682B1 (en) | GLASS FIBER COMPOSITION FOR INCREASING THE MODULUS OF ELASTICITY |