EA048682B1 - GLASS FIBER COMPOSITION FOR INCREASING THE MODULUS OF ELASTICITY - Google Patents
GLASS FIBER COMPOSITION FOR INCREASING THE MODULUS OF ELASTICITY Download PDFInfo
- Publication number
- EA048682B1 EA048682B1 EA202291871 EA048682B1 EA 048682 B1 EA048682 B1 EA 048682B1 EA 202291871 EA202291871 EA 202291871 EA 048682 B1 EA048682 B1 EA 048682B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- weight
- glass
- composition
- mgo
- glass composition
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 149
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 title claims description 76
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 154
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 86
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 22
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 20
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 18
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 16
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 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 13
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Li2O Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M dilithium;hydroxide Chemical compound [Li+].[Li+].[OH-] XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 11
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 8
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 4
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 43
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 36
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- BUMGIEFFCMBQDG-UHFFFAOYSA-N dichlorosilicon Chemical compound Cl[Si]Cl BUMGIEFFCMBQDG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 11
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N Na2O Inorganic materials [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- IATRAKWUXMZMIY-UHFFFAOYSA-N strontium oxide Inorganic materials [O-2].[Sr+2] IATRAKWUXMZMIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910011255 B2O3 Inorganic materials 0.000 description 7
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 6
- AKEJUJNQAAGONA-UHFFFAOYSA-N sulfur trioxide Chemical compound O=S(=O)=O AKEJUJNQAAGONA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- -1 SiCl 2 Substances 0.000 description 5
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000006066 glass batch Substances 0.000 description 4
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 4
- DLYUQMMRRRQYAE-UHFFFAOYSA-N tetraphosphorus decaoxide Chemical compound O1P(O2)(=O)OP3(=O)OP1(=O)OP2(=O)O3 DLYUQMMRRRQYAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Inorganic materials [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000004031 devitrification Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 238000007088 Archimedes method Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000007655 standard test method Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 2
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 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
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N ZrO Inorganic materials [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000272 alkali metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000005407 aluminoborosilicate glass Substances 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
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 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
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 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
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- NOTVAPJNGZMVSD-UHFFFAOYSA-N potassium monoxide Inorganic materials [K]O[K] NOTVAPJNGZMVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 1
- 239000002990 reinforced plastic Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 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
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 229920006305 unsaturated polyester Polymers 0.000 description 1
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Description
Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross-reference to related applications
По настоящей заявке испрашивается приоритет и все преимущество предварительной патентной заявки США № 62/956422, поданной 02 января 2020 г., содержание которой во всей своей полноте включено в настоящий документ посредством ссылки.This application claims the benefit of and the entirety of U.S. Provisional Patent Application No. 62/956,422, filed January 2, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияPrior art of the present invention
Стеклянные волокна изготавливают, используя разнообразные исходные материалы, объединенные в определенных пропорциях для получения желательной композиции, обычно называемой термином стекольная шихта. Эта стекольная шихта может быть расплавлена в плавильном устройстве, после чего расплавленное стекло вытягивают, получая волокна, через насадку или фильерную пластину с отверстиями (получаемые в результате волокна также называются непрерывными стеклянными волокнами). Затем на нити может быть нанесена замасливающая композиция, содержащая смазочные вещества, связующие вещества и пленкообразующие связующие смолы. После нанесения замасливающей композиции волокна могут быть собраны в одну или несколько прядей и смотаны в пучок, или, в качестве альтернативы, волокна могут быть измельчены во влажном состоянии и собраны. Собранные рубленые волокна могут затем быть подвергнуты высушиванию и отверждению и превращены в сухие рубленые волокна, или они могут быть упакованы во влажном состоянии как влажные рубленые волокна.Glass fibers are manufactured using a variety of raw materials combined in specific proportions to produce a desired composition, commonly referred to as a glass batch. This glass batch may be melted in a melting apparatus, after which the molten glass is drawn into fibers through a nozzle or spinneret plate with holes (the resulting fibers are also called continuous glass fibers). A sizing composition containing lubricants, binders, and film-forming binder resins may then be applied to the filaments. After application of the sizing composition, the fibers may be gathered into one or more strands and wound into a bundle, or, alternatively, the fibers may be wet-chopped and collected. The collected chopped fibers may then be dried and cured and converted into dry chopped fibers, or they may be wet-packed as wet chopped fibers.
Композиция стекольной шихты, а также изготовленных из нее стеклянных волокон часто выражается через содержащиеся в ней оксиды, которые обычно представляют собой SiCl2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3, TiO2, Li2O и т.д. Стекла многочисленных типов могут быть получены путем изменения количества указанных оксидов или исключения некоторых оксидов из стекольной шихты. Примеры таких стекол, которые могут быть получены, представляют собой R-стекло, Е-стекло, S-стекло, Астекло, С-стекло и ECR-стекло. Стеклянная композиция определяет форму и свойства стекла. Другие характеристики стеклянных композиций представляют собой стоимость исходных материалов и воздействие на окружающую среду.The composition of the glass batch and the glass fibers produced from it is often expressed in terms of the oxides it contains, which are typically SiCl2 , Al2O3 , CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3 , TiO2 , Li2O , etc. Numerous types of glass can be produced by varying the amounts of these oxides or excluding some oxides from the glass batch. Examples of such glasses that can be produced are R-glass, E-glass, S-glass, A-glass, C-glass, and ECR-glass. The glass composition determines the shape and properties of the glass. Other characteristics of the glass compositions are the cost of the raw materials and the environmental impact.
Например, Е-стекло представляет собой алюмоборосиликатное стекло, обычно не содержащее щелочных металлов и широко используемое в электротехнике. Одним из преимуществ Е-стекла является то, что его температура ликвидуса позволяет использовать для производства стекловолокна рабочие температуры, составляющие приблизительно от 1900 до 2400°F (от 1038C до 1316°C). Классификация ASTM для Е-стекловолоконных нитей, используемых в печатных платах и аэрокосмических приложениях, определяет композицию, содержащую от 52 до 56% по массе SiCl2, от 16 до 25% по массе CaO, от 12 до 16% по массе Al2O3, от 5 до 10% по массе B2O3, от 0 до 5% по массе MgO, от 0 до 2% по массе Na2O и K2O, от 0 до 0,8% по массе TiO2, от 0,05 до 0,4% по массе Fe2O3 и от 0 до 1,0% по массе фтораFor example, E-glass is an aluminoborosilicate glass that is generally free of alkali metals and is widely used in electrical applications. One advantage of E-glass is that its liquidus temperature allows for operating temperatures of approximately 1900 to 2400°F (1038C to 1316°C) to be used for fiberglass production. The ASTM classification for E-glass filaments used in printed circuit boards and aerospace applications specifies a composition containing 52 to 56 % by weight SiCl2, 16 to 25% by weight CaO, 12 to 16% by weight Al2O3 , 5 to 10% by weight B2O3, 0 to 5% by weight MgO, 0 to 2% by weight Na2O and K2O, 0 to 0.8% by weight TiO2 , 0.05 to 0.4% by weight Fe2O3 , and 0 to 1.0% by weight fluorine.
Волокна, в которых отсутствует бор, продаются под товарным знаком ADVANTEX® от компании Owens Coming (Толедо, штат Огайо, США). Волокна, в которых отсутствует бор, такие как волокна, раскрытые в патенте США № 5,789,329, включенном во всей своей полноте в настоящий документ посредством ссылки, позволяют значительно снижать рабочие температуры по сравнению с содержащим бор Естеклом. На стеклянные волокна, в которых отсутствует бор, распространяется определение ASTM для волокон из Е-стекла, предназначенных для применения в изделиях общего назначения.Boron-free fibers are sold under the trade name ADVANTEX® by Owens Coming, Toledo, Ohio. Boron-free fibers, such as those disclosed in U.S. Patent No. 5,789,329, incorporated herein by reference in its entirety, allow for significantly lower operating temperatures than boron-containing E-glass. Boron-free glass fibers are covered by the ASTM definition of E-glass fibers for general purpose applications.
R-стекло представляет собой семейство стекол, которые состоят в основном из оксидов кремния, алюминия, магния и кальция с химическим составом, обеспечивающим получение стеклянных волокон с более высокой механической прочностью, чем Е-стеклянные волокна. R-стекло характеризует композиция, которая содержит от около 58 до около 60% по массе SiCl2, от около 23,5 до около 25,5% по массе Al2O3, от около 14 до около 17% по массе CaO, а также MgO и другие компоненты, составляющие менее 2% по массе. R-стекло содержит больше оксида алюминия и диоксида кремния, чем Е-стекло, и для него требуются более высокие температуры плавления и обработки в процессе изготовления волокон. Как правило, температуры плавления и обработки R-стекла выше, чем в случае Е-стекла. Для повышенной температуры обработки должна быть использована дорогостоящая стекловаренная печь с платиновой футеровкой. Кроме того, непосредственная близость температуры ликвидуса к температуре изготовления R-стекла требует, чтобы стекло подвергалось волокнообразованию при более низкой вязкости, чем Естекло, из которого обычно изготавливают волокна при вязкости, составляющей точно или около 1000 пуаз. Образование волокон из R-стекла при обычной вязкости, составляющей 1000 пуаз, вероятно, приведет к расстекловыванию стекла, в результате чего произойдет прерывание процесса и снижение производительности.R-glass is a family of glasses that are composed primarily of oxides of silica, alumina, magnesium, and calcium with a chemical composition that produces glass fibers with higher mechanical strength than E-glass fibers. R-glass is characterized by a composition that contains from about 58 to about 60% by weight SiCl 2 , from about 23.5 to about 25.5% by weight Al 2 O 3 , from about 14 to about 17% by weight CaO, and MgO and other components constituting less than 2% by weight. R-glass contains more alumina and silica than E-glass and requires higher melting and processing temperatures during the fiber manufacturing process. In general, the melting and processing temperatures of R-glass are higher than those of E-glass. The higher processing temperature must be achieved by using an expensive platinum-lined glass furnace. In addition, the close proximity of the liquidus temperature to the R-glass manufacturing temperature requires that the glass be fiberized at a lower viscosity than the glass that is typically fiberized at a viscosity of exactly or near 1000 poise. Fiberizing R-glass at the typical viscosity of 1000 poise would likely result in devitrification of the glass, resulting in process interruption and reduced productivity.
Стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками обладают более высокой прочностью и жесткостью по сравнению с традиционными волокнами из Е-стекла. В частности, для некоторых изделий жесткость имеет решающее значение в целях моделирования и производительности. Например, композиционные изделия, такие как лопасти ветряных турбин, изготовленные из стеклянных волокон с соответствующими свойствами жесткости, позволят использовать более длинные лопасти ветряных электростанций, сохраняя при этом изгиб лопасти в допустимых пределах. Модуль упругости (также используется взаимозаменяемый термин модуль Юнга) представляет собой меру жесткости волокна, которая определяет взаимосвязь между напряжением, приложенным к материалу, и деформацией, создаваемой в этом материале. Жесткий материал имеет высокий модуль упругости, и его форма незнаHigh-performance glass fibers have higher strength and stiffness than traditional E-glass fibers. In particular, for some products, stiffness is critical for design and performance purposes. For example, composite products such as wind turbine blades made from glass fibers with appropriate stiffness properties will allow longer wind turbine blades to be used while keeping blade deflection within acceptable limits. The modulus of elasticity (also used interchangeably as Young's modulus) is a measure of the stiffness of a fiber, which defines the relationship between the stress applied to a material and the strain created in that material. A stiff material has a high modulus of elasticity, and its shape is not
- 1 048682 чительно изменяется при упругих нагрузках. Гибкий материал имеет низкий модуль упругости, и его форма изменяется в значительной степени.- 1 048682 changes significantly under elastic loads. The flexible material has a low modulus of elasticity, and its shape changes significantly.
Хотя были разработаны стеклянные композиции различных типов с высокими эксплуатационными характеристиками, в таких стеклянных композициях часто пытаются довести до максимума модуль упругости и прочность при растяжении. Однако по мере того, как модуль упругости стеклянных волокон увеличивается и превышает определенный уровень, который составляет 92 ГПа, формы композиционных лопастей ветряных турбин могут быть удлинены, что требует изготовления новых форм. Было бы выгодным и рентабельным достижение умеренного модуля упругости, совместимого с современными композиционными формованными изделиями при сохранении низкой температуры волокнообразования. Температура волокнообразования, составляющая менее чем около 1300°C, позволяет использовать большинство современных материалов и технологий для производства стеклянных волокон, что обеспечивает совместимость с уже существующим производственным оборудованием. Кроме того, температура волокнообразования, близкая к другим уже производимым стеклянным композициям, позволяет проводить быстрые операции по переключению печи с производства одного стекла на другое без необходимости изменения производственной технологии. Снижение температуры волокнообразования является благоприятным в целях эффективного использования энергии, а также уменьшения испарения платины. При более высоких температурах платина испаряется быстрее, и сокращается срок службы производственного оборудования.Although high performance glass composites of various types have been developed, such glass composites often attempt to maximize the elastic modulus and tensile strength. However, as the elastic modulus of glass fibers increases and exceeds a certain level, which is 92 GPa, the shapes of composite wind turbine blades may be elongated, requiring the manufacture of new molds. It would be advantageous and cost effective to achieve a moderate elastic modulus compatible with modern composite moldings while maintaining a low fiberization temperature. A fiberization temperature of less than about 1300 °C allows the use of most modern materials and technologies for the production of glass fibers, which ensures compatibility with existing manufacturing equipment. In addition, a fiberization temperature close to other glass composites already produced allows for rapid furnace changeover operations from the production of one glass to another without the need to change the production technology. Lowering the fiberization temperature is beneficial for energy efficiency and reducing platinum evaporation. At higher temperatures, platinum evaporates faster and reduces the service life of the production equipment.
Производители лопастей ветряных турбин вкладывают значительные средства в создание форм, которые используются для изготовления лопастей ветряных турбин. Кроме того, лопасти ветряных турбин становятся настолько большими, что целые заводы строятся в целях производства лопастей определенного размера. Хотя цель, как правило, состоит в том, чтобы продолжать увеличивать модуль упругости стеклянного волокна, чтобы сделать возможным изготовление более длинных лопастей, также желательно наилучшим образом использовать уже существующие формы и оборудование. Для этого стеклянное волокно должно обладать свойствами в пределах диапазона эксплуатационных характеристик. Если эксплуатационные характеристики стекла являются слишком хорошими в отношении модуля упругости, то с этической точки зрения требуется изготовление новых форм, чтобы использовать более высокие эксплуатационные характеристики. Эти волокна обеспечивают повышенную устойчивость к производственным дефектам в указанных формах. Соответственно, существует стремление к оптимизации эксплуатационных характеристик без необходимости увеличения размера лопастей ветряных турбин.Wind turbine blade manufacturers invest heavily in the creation of molds that are used to make wind turbine blades. In addition, wind turbine blades are becoming so large that entire factories are built for the purpose of producing blades of a certain size. Although the goal is generally to continue to increase the elastic modulus of the glass fiber to make longer blades possible, it is also desirable to make the best use of existing molds and equipment. To achieve this, the glass fiber must have properties within a performance range. If the performance of the glass is too good in terms of elastic modulus, then it is ethically necessary to make new molds to exploit the higher performance. These fibers provide increased resistance to manufacturing defects in the said molds. Accordingly, there is a desire to optimize the performance without having to increase the size of the wind turbine blades.
В технике требуются стеклянные композиции с высокими эксплуатационными характеристиками, имеющие приемлемые свойства волокнообразования, в том числе достаточно низкую температуру волокнообразования, и при этом обеспечивающие умеренный, но не чрезмерно высокий модуль упругости, составляющий, например, между 90 и 92 ГПа.In engineering, glass composites are required with high performance characteristics, having acceptable fiberization properties, including a sufficiently low fiberization temperature, and at the same time providing a moderate but not excessively high elastic modulus, amounting, for example, to between 90 and 92 GPa.
Сущность настоящего изобретенияThe essence of the present invention
Настоящее изобретение относится к стеклянной композиции для изготовления стеклянного волокна, содержащей SiCl2 в количестве от 57,0 до 62,0% по массе; Al2O3 в количестве от 20,0 до 25,0% по массе; CaO в количестве от 7,0 до 9,0% по массе; MgO в количестве от 8,0 до 12,5% по массе; Li2O в количестве от 0,5 до 1,0% по массе; и TiO2 в количестве от 0,2 до 1,5% по массе, что выражено как массовое процентное содержание по отношению к полной массе композиции. Массовое процентное соотношение (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) составляет от 0,47 до 0,49 и массовое процентное соотношение (MgO/SiCl2) составляет от 0,175 до 0,20. Стеклянная композиция имеет температуру волокнообразования, составляющую не более чем 1300°C.The present invention relates to a glass composition for producing glass fiber, comprising SiCl 2 in an amount of 57.0 to 62.0% by weight; Al 2 O 3 in an amount of 20.0 to 25.0% by weight; CaO in an amount of 7.0 to 9.0% by weight; MgO in an amount of 8.0 to 12.5% by weight; Li 2 O in an amount of 0.5 to 1.0% by weight; and TiO 2 in an amount of 0.2 to 1.5% by weight, which is expressed as a weight percentage relative to the total weight of the composition. The weight percentage ratio (MgO+Al 2 O 3 )/(SiO 2 +CaO) is from 0.47 to 0.49 and the weight percentage ratio (MgO/SiCl 2 ) is from 0.175 to 0.20. The glass composition has a fiberization temperature of no more than 1300°C.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления суммарное количество SiCl2, Al2O3, MgO и CaO может составлять по меньшей мере 98% по массе и менее чем 99,5% по массе.According to any of the various embodiments, the total amount of SiCl2, Al2O3, MgO and CaO can be at least 98% by weight and less than 99.5% by weight.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция содержит от 7,9% по массе до менее чем 9,0% по массе CaO.According to any of the various embodiments, the composition comprises from 7.9% by weight to less than 9.0% by weight CaO.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция содержит от более чем 20% до 21% по массе Al2O3.According to any of the various embodiments, the composition comprises from greater than 20% to 21% by weight of Al 2 O 3 .
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция содержит от 0,4 до 0,8 мас.% Li2O.According to any of the various embodiments, the composition comprises from 0.4 to 0.8 wt.% Li 2 O.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления в стеклянной композиции отсутствуют оксиды редкоземельных элементов.According to any of the various embodiments, the glass composition is free of rare earth oxides.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция имеет суммарное содержание B2O3, SrO и фтора, составляющее менее чем 1,0% по массе.According to any of the various embodiments , the composition has a total content of B2O3 , SrO, and fluorine that is less than 1.0% by weight.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция композиция дополнительно содержит Na2O в количестве 0 до 1% по массе и K2O в количестве 0 до 1% по массе, причем композиция имеет массовое процентное соотношение (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O), которое составляет от более 0,46 до 0,50.According to any of the various embodiments of the composition, the composition further comprises Na2O in an amount of 0 to 1% by weight and K2O in an amount of 0 to 1% by weight, wherein the composition has a mass percentage ratio of (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) that is from more than 0.46 to 0.50.
Настоящее изобретение также относится к стеклянному волокну, изготовленному из указанной выше стеклянной композиции, причем стеклянное волокно имеет модуль упругости между 90 и 92 ГПа.The present invention also relates to a glass fiber made from the above-mentioned glass composition, wherein the glass fiber has an elastic modulus between 90 and 92 GPa.
Настоящее изобретение далее относится к способу изготовления непрерывного стеклянного волокThe present invention further relates to a method for producing a continuous glass fiber
- 2 048682 на, включающему получение указанной выше расплавленной композиции и вытягивание указанной расплавленной композиции через отверстие с образованием непрерывного стеклянного волокна.- 2 048682 on, including obtaining the above-mentioned molten composition and drawing the said molten composition through an opening to form a continuous glass fiber.
Настоящее изобретение также относится к армированному композиционному изделию, содержащему полимерную матрицу и множество стеклянных волокон, изготовленных из указанной выше стеклянной композиции, изготовленной как указано выше, причем стеклянное волокно имеет модуль упругости между 90 и 92 ГПа.The present invention also relates to a reinforced composite article comprising a polymer matrix and a plurality of glass fibers made from the above-mentioned glass composition made as indicated above, wherein the glass fiber has an elastic modulus between 90 and 92 GPa.
Далее настоящее изобретение относится к стеклянной композиции для изготовления стеклянного волокна, содержащей SiCl2 в количестве от 57,0 до 62,0% по массе; Al2O3 в количестве от 20,0 до 25,0% по массе; CaO в количестве от 7,0 до 11,5% по массе; MgO в количестве от 8,0 до 12,5% по массе; Li2O в количестве от 0,5 до 0,8% по массе и TiO2 в количестве от 0,2 до 1,5% по массе. Массовое процентное соотношение (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) составляет от более 0,46 до 0,50 и массовое процентное соотношение (MgO/SiCl2) составляет от 0,175 до 0,20. Стеклянная композиция имеет температуру волокнообразования, составляющую не более чем 1300°C.The present invention further relates to a glass composition for producing glass fiber, comprising SiCl 2 in an amount of 57.0 to 62.0% by weight; Al 2 O3 in an amount of 20.0 to 25.0% by weight; CaO in an amount of 7.0 to 11.5% by weight; MgO in an amount of 8.0 to 12.5% by weight; Li 2 O in an amount of 0.5 to 0.8% by weight and TiO 2 in an amount of 0.2 to 1.5% by weight. The weight percentage ratio (MgO + Al 2 O 3 + Li 2 O) / (CaO + SiO 2 + Na 2 O + K 2 O) is from more than 0.46 to 0.50 and the weight percentage ratio (MgO / SiCl 2 ) is from 0.175 to 0.20. The glass composition has a fiberization temperature of no more than 1300°C.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления суммарное количество SiCl2, Al2O3, MgO и CaO может составлять по меньшей мере 98% по массе и менее чем 99,5% по массе.According to any of the various embodiments, the total amount of SiCl2 , Al2O3 , MgO, and CaO can be at least 98% by weight and less than 99.5 % by weight.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция содержит от 7,9% по массе до менее чем 9,0% по массе CaO.According to any of the various embodiments, the composition comprises from 7.9% by weight to less than 9.0% by weight CaO.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция содержит от более чем 20 до 21% по массе Al2O3.According to any of the various embodiments, the composition comprises from more than 20 to 21% by weight of Al2O3.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция содержит от 0,45% до 0,8 мас.% Li2O.According to any of the various embodiments, the composition comprises from 0.45% to 0.8 wt.% Li 2 O.
Согласно любому из разнообразных вариантов осуществления композиция имеет массовое процентное соотношение (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO), которое составляет от 0,47 до 0,49.According to any of the various embodiments , the composition has a weight percentage ratio of (MgO+ Al2O3 )/( SiO2 +CaO) that is from 0.47 to 0.49.
Настоящее изобретение также относится к стеклянному волокну, изготовленному из указанной выше стеклянной композиции, где стеклянное волокно имеет модуль упругости между 90 и 92 ГПа.The present invention also relates to a glass fiber made from the above glass composition, wherein the glass fiber has an elastic modulus between 90 and 92 GPa.
Перечисленные выше и другие объекты, признаки и преимущества настоящего изобретения более подробно представлены далее в настоящем документе в рамках следующего подробного описания.The above and other objects, features and advantages of the present invention are presented in more detail later in this document within the framework of the following detailed description.
Подробное описание настоящего изобретенияDetailed description of the present invention
Если не определено иное условие, все технические и научные термины, которые используются в настоящем документе, имеют такие значения, которые, как правило, понимает обычный специалист в области техники, к которой принадлежат указанные примерные варианты осуществления. Терминология, используемая в описании в настоящем документе, предназначена только для представления примерных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения примерных вариантов осуществления. Соответственно, общие идеи настоящего изобретения не предназначены для ограничения конкретными вариантами осуществления, которые проиллюстрированы в настоящем документе. Хотя другие способы и материалы, аналогичные или эквивалентные тем, которые описаны в настоящем документе, могут быть использованы для практического осуществления или испытания настоящего изобретения, предпочтительные способы и материалы описаны в настоящем документе.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which these exemplary embodiments belong. The terminology used in the description herein is intended to present exemplary embodiments only and is not intended to limit the exemplary embodiments. Accordingly, the general concepts of the present invention are not intended to be limited to the specific embodiments illustrated herein. Although other methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used to practice or test the present invention, the preferred methods and materials are described herein.
При использовании в описании и прилагаемой формуле настоящего изобретения грамматические формы единственного числа предназначены также для распространения на множественное число, если иное условие четко не следует из контекста.When used in the description and appended claims of the present invention, grammatical forms of the singular are intended to also extend to the plural unless the context clearly indicates otherwise.
Термин по существу отсутствует означает, что композиция содержит менее чем 1,0 мас.%, в том числе не более чем 0,8 мас.%, не более чем 0,6 мас.%, не более чем 0,4 мас.%, не более чем 0,2 мас.%, не более чем 0,1 мас.% и не более чем 0,05 мас.% указанного компонента. Согласно любому из примерных вариантов осуществления по существу отсутствует означает, что композиция содержит не более чем 0,01 мас.% указанного компонента.The term "substantially absent" means that the composition contains less than 1.0 wt.%, including no more than 0.8 wt.%, no more than 0.6 wt.%, no more than 0.4 wt.%, no more than 0.2 wt.%, no more than 0.1 wt.%, and no more than 0.05 wt.% of the specified component. According to any of the exemplary embodiments, "substantially absent" means that the composition contains no more than 0.01 wt.% of the specified component.
Если не указано иное условие, все числа, выражающие количества ингредиентов, химические и молекулярные свойства, условия реакция и другие параметры, используемые в описании и формуле настоящего изобретения, следует понимать как сопровождаемые во всех случаях термином около. Соответственно, если не указано иное условие, численные параметры, которые приведены в описании и прилагаемой формуле настоящего изобретения, представляют собой приближения, которые могут варьироваться в зависимости от желательных свойств, которые должны быть получены согласно настоящим примерным вариантам осуществления. По меньшей мере, каждый численный параметр следует истолковывать в свете числа значимых цифр и обычных правил округления.Unless otherwise indicated, all numbers expressing quantities of ingredients, chemical and molecular properties, reaction conditions and other parameters used in the description and claims of the present invention should be understood as being accompanied in all instances by the term about. Accordingly, unless otherwise indicated, the numerical parameters that are given in the description and appended claims of the present invention are approximations that may vary depending on the desired properties to be obtained according to the present exemplary embodiments. At the very least, each numerical parameter should be construed in light of the number of significant digits and ordinary rounding techniques.
Если не указано иное условие, любой элемент, свойство, признак или сочетание элементов, свойств и признаков могут быть использованы согласно любому варианту осуществления, который описан в настоящем документе, независимо от того, что элемент, свойство, признак или сочетание элементов, свойств и признаков были явно описано согласно варианту осуществления. Можно легко понять, что признаки, представленные в отношении любого конкретного аспекта, который описан в настоящем доUnless otherwise stated, any element, property, feature, or combination of elements, properties, and features may be used in accordance with any embodiment described herein, regardless of whether the element, property, feature, or combination of elements, properties, and features has been explicitly described in accordance with the embodiment. It can be readily understood that features presented with respect to any particular aspect described herein to
- 3 048682 кументе, могут быть применимыми и к другим аспектам, которые описаны в настоящем документе, при том условии, что признаки являются совместимыми с указанным аспектом. В частности, признаки, которые описаны в настоящем документе в отношении способа, могут быть применимыми к изделию из стеклянных волокон и наоборот; признаки, которые описаны в настоящем документе в отношении способа, могут быть применимыми к стеклянной композиции и наоборот; и признаки, которые описаны в настоящем документе в отношении стеклянного волокна, могут быть применимыми к стеклянной композиции и наоборот.- 3 048682 document, may also be applicable to other aspects that are described in this document, provided that the features are compatible with the said aspect. In particular, the features that are described in this document with respect to a method may be applicable to an article made of glass fibers and vice versa; the features that are described in this document with respect to a method may be applicable to a glass composition and vice versa; and the features that are described in this document with respect to a glass fiber may be applicable to a glass composition and vice versa.
Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, которые определяют широкий объем примерных вариантов осуществления, представляют собой приближения, числовые значения, которые приведены в конкретных примерах, представлены с максимально возможной точностью. Однако любое числовое значение естественным образом содержит некоторые ошибки, которые обязательно возникают в результате стандартного отклонения, которое обнаруживается в соответствующих измерениях в процессе исследования. Каждый числовой диапазон, который представлен в описании и формуле настоящего изобретения, будет включать каждый более узкий числовой диапазон, который находится в пределах такого более широкого числового диапазона, как если бы все такие более узкие числовые диапазоны были определенно представлены в настоящем документе. Кроме того, любое числовое значение, которое приведено в примерах, может быть использовано для определения верхней или нижней конечной точки более широкого композиционного диапазона, описанного в настоящем документе.Although the numerical ranges and parameters that define the broad scope of exemplary embodiments are approximations, the numerical values that are given in the specific examples are given with the greatest possible precision. However, any numerical value naturally contains some errors that necessarily arise as a result of the standard deviation that is found in the corresponding measurements during the study. Each numerical range that is given in the description and claims of the present invention will include each narrower numerical range that is within such a wider numerical range, as if all such narrower numerical ranges were expressly given herein. In addition, any numerical value that is given in the examples can be used to determine the upper or lower end point of a wider compositional range described herein.
Настоящее изобретение относится к стеклянной композиции с умеренно высоким модулем упругости и низкой температурой волокнообразования, которая при этом имеет меньшую стоимость, чем традиционные стеклянные композиции с высоким модулем упругости.The present invention relates to a glass composition with a moderately high elastic modulus and a low fiberization temperature, which at the same time has a lower cost than conventional glass compositions with a high elastic modulus.
Стеклянные композиции, которые описаны в настоящем документе, являются подходящими для плавления в традиционных имеющихся в продаже стекловаренных печах с огнеупорной футеровкой, которые находят широкое применение в производстве армирующих стеклянных волокон.The glass compositions described herein are suitable for melting in conventional commercially available refractory-lined glass furnaces that are widely used in the production of reinforcing glass fibers.
Стеклянная композиция может присутствовать в расплавленной форме, получаемой в результате плавления компонентов стеклянной композиции в стекловаренной печи. Стеклянная композиция проявляет низкую температуру волокнообразования, которая определяется как температура, которая соответствует вязкости расплава, составляющей около 1000 Пуаз, при определении согласно стандарту ASTM C965-96 (2007). Снижение температуры волокнообразования может сокращать стоимость производства стеклянных волокон, поскольку это обеспечивает более продолжительный период эксплуатации насадки и сокращение потребления энергии, необходимой для плавления компонентов стеклянной композиции. Таким образом, выделяющаяся энергия, как правило, составляет менее чем энергия, необходимая для плавления многих имеющихся в продаже стеклянных композиций. Такие низкие уровни энергопотребления также могут снижать суммарные расходы, связанные с производством стеклянной композиции.The glass composition may be in molten form resulting from melting the glass composition components in a glass melting furnace. The glass composition exhibits a low fiberization temperature, which is defined as the temperature that corresponds to a melt viscosity of approximately 1000 poise, when determined in accordance with ASTM C965-96 (2007). A lower fiberization temperature can reduce the cost of producing glass fibers because it allows for a longer nozzle life and a reduction in the energy required to melt the glass composition components. Thus, the energy released is typically less than the energy required to melt many commercially available glass compositions. Such low energy consumption levels can also reduce the overall costs associated with producing the glass composition.
Например, при снижении температуры волокнообразования насадка может работать при менее высокой температуре и, таким образом, в ней не возникает прогиб с такой скоростью, которая обычно наблюдается. Прогиб представляет собой явление, которое возникает, когда насадка, которую выдерживают при повышенной температуре в течение продолжительных периодов времени, в некоторой степени теряет свою устойчивость. Таким образом, посредством снижения температуры волокнообразования может быть уменьшена степень прогиба насадки, и может быть доведен до максимума период эксплуатации насадки. Кроме того, снижение температуры волокнообразования является благоприятным с точки зрения энергопотребления, а также замедляет испарение платины.For example, by lowering the fiberizing temperature, the nozzle can operate at a lower temperature and thus does not sag at the rate that is normally observed. Sag is a phenomenon that occurs when a nozzle that is kept at an elevated temperature for long periods of time loses some of its stability. Thus, by lowering the fiberizing temperature, the degree of sag of the nozzle can be reduced and the service life of the nozzle can be maximized. In addition, lowering the fiberizing temperature is beneficial in terms of energy consumption and also slows down the evaporation of platinum.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может иметь температуру волокнообразования, составляющую менее чем 2372°F (1300°C), в том числе температуру волокнообразования, составляющую не более чем 2363°F (1295°C), не более чем 2354°F (1290°C), не более чем 2345°F (1285°C) и не более чем 2336°F (1280°C). Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может иметь температуру волокнообразования, составляющую между 2330°F (1276,76°C) и 2366,6°F (1297°C) или между 2345°F (1285°C) и 2357,6°F (1292°C).According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can have a fiberization temperature of less than 2372°F (1300°C), including a fiberization temperature of no more than 2363°F (1295°C), no more than 2354°F (1290°C), no more than 2345°F (1285°C), and no more than 2336°F (1280°C). According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can have a fiberization temperature of between 2330°F (1276.76°C) and 2366.6°F (1297°C) or between 2345°F (1285°C) and 2357.6°F (1292°C).
Другое волокнообразующее свойство стеклянной композиции представляет собой температуру ликвидуса. Температура ликвидуса определяется как наиболее высокая температура, при которой существует равновесие между жидким стеклом и соответствующей первичной кристаллической фазой. Температура ликвидуса в некоторых случаях может быть измерена посредством воздействия на стеклянную композицию температурного градиента в лодочке из платинового сплава в течение 16 ч согласно стандарту ASTM C829-81 (2005). При всех температурах выше температура ликвидуса стекло является полностью расплавленным, т.е. в нем отсутствуют кристаллы. При температурах ниже температуры ликвидуса могут образовываться кристаллы.Another fiber-forming property of a glass composition is the liquidus temperature. The liquidus temperature is defined as the highest temperature at which equilibrium exists between liquid glass and the corresponding primary crystalline phase. The liquidus temperature can in some cases be measured by subjecting the glass composition to a temperature gradient in a platinum alloy boat for 16 h according to ASTM C829-81 (2005). At all temperatures above the liquidus temperature, the glass is completely molten, i.e., there are no crystals in it. At temperatures below the liquidus temperature, crystals may form.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может иметь температуру ликвидуса ниже 2350°F, в том числе температуру ликвидуса, составляющую не более чем 2300°F (1221,11°C), не более чем 2250°F (1232,22°C), не более чем 2232°F (1222,22°C), не более чем 2225°F (1218,33°C) и не более чем 2220°F (1215,56°C). Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может иметь температуру ликвидуса, составляющую между 2200°F (1204,44°C) и 2300°F (1221,11°C) или между 2210°F (1210°C) и 2235°F (1223,89°C).According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can have a liquidus temperature below 2350°F, including a liquidus temperature of no more than 2300°F (1221.11°C), no more than 2250°F (1232.22°C), no more than 2232°F (1222.22°C), no more than 2225°F (1218.33°C), and no more than 2220°F (1215.56°C). According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can have a liquidus temperature between 2200°F (1204.44°C) and 2300°F (1221.11°C) or between 2210°F (1210°C) and 2235°F (1223.89°C).
- 4 048682- 4 048682
Третье волокнообразующее свойство представляет собой значение ΔΤ или дельта Т, которое определяется как разность между температурой волокнообразования и температурой ликвидуса. Если значение ΔΤ является чрезмерно малым, то расплавленное стекло может кристаллизоваться внутри волокнообразующего устройства и вызывать нарушение производственного процесса. Желательное значение ΔΤ является максимально большим, насколько это возможно, для данной вязкости при волокнообразовании, потому что это обеспечивает более высокую степень гибкости в процессе волокнообразования и способствует предотвращению расстекловывания как в стеклораспределительной системе, так и в волокнообразующем устройстве. Кроме того, большое значение ΔΤ сокращает стоимость производства стеклянных волокон посредством обеспечения более продолжительного периода эксплуатации насадка и менее чувствительного процесса волокнообразования.The third fiberizing property is the ΔΤ or delta T value, which is defined as the difference between the fiberizing temperature and the liquidus temperature. If the ΔΤ value is too small, the molten glass may crystallize inside the fiberizing device and cause disruption to the production process. The desired ΔΤ value is as large as possible for a given fiberizing viscosity because it provides a higher degree of flexibility in the fiberizing process and helps prevent devitrification in both the glass distribution system and the fiberizing device. In addition, a large ΔΤ value reduces the cost of producing glass fibers by providing a longer nozzle life and a less sensitive fiberizing process.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может иметь значение ΔΤ, составляющее по меньшей мере 40°C, в том числе по меньшей мере 55°C, по меньшей мере 60°C, по меньшей мере 70°C, по меньшей мере 75°C, по меньшей мере 80°C и по меньшей мере 90°C. Согласно разнообразным примерным вариантам осуществления стеклянная композиция имеет значение ΔΤ, составляющее между 40 и 90°C, в том числе между 50 и 85°C и между 70 и 80°C.According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can have a ΔΤ value of at least 40°C, including at least 55°C, at least 60°C, at least 70°C, at least 75°C, at least 80°C, and at least 90°C. According to various exemplary embodiments, the glass composition has a ΔΤ value of between 40 and 90°C, including between 50 and 85°C and between 70 and 80°C.
Стеклянная композиция может содержать от около 56,0 до около 62,0% по массе SiCl2, от около 17,0 до около 24,0% по массе Al2O3, от около 9,0 до около 13,0% по массе MgO, от около 7,0 до около 11,0% по массе CaO, от около 0,0 до около 1,0% по массе Na2O, от 0 до около 2,0% по массе TiO2, от 0 до около 1,5% по массе Fe2O3 и от около 0,2% до около 1,0 по массе Li2O.The glass composition may comprise from about 56.0 to about 62.0% by weight SiCl2 , from about 17.0 to about 24.0% by weight Al2O3 , from about 9.0 to about 13.0% by weight MgO, from about 7.0 to about 11.0% by weight CaO, from about 0.0 to about 1.0% by weight Na2O , from 0 to about 2.0% by weight TiO2, from 0 to about 1.5% by weight Fe2O3 , and from about 0.2% to about 1.0% by weight Li2O .
Преимущественно соотношение (R1) суммарного массового процентного содержания оксида алюминия и оксида магния и суммарного массового процентного содержания диоксида кремния и оксида кальция (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) составляет по меньшей мере 0,47, в том числе по меньшей мере 0,48, и по меньшей мере 0,49. Соотношение R1, составляющее по меньшей мере 0,47, обеспечивает, что получаемое в результате стекловолокно демонстрирует достаточно высокий модуль упругости.Preferably, the ratio (R1) of the total mass percentage of aluminum oxide and magnesium oxide and the total mass percentage of silicon dioxide and calcium oxide (MgO+ Al2O3 )/( SiO2 +CaO) is at least 0.47, including at least 0.48, and at least 0.49. The ratio R1, which is at least 0.47, ensures that the resulting glass fiber exhibits a sufficiently high elastic modulus.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления соотношение (R2) суммарного массового процентного содержания MgO, Al2O3 и Li2O и суммарного массового процентного содержания CaO, SiCl2, Na2O и K2O (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) составляет более чем 0,46, в том числе по меньшей мере 0,47, по меньшей мере 0,48, по меньшей мере 0,49 и по меньшей мере 0,50.According to some exemplary embodiments, the ratio (R2) of the total weight percentage of MgO, Al 2 O 3 and Li 2 O and the total weight percentage of CaO, SiCl 2 , Na 2 O and K 2 O (MgO + Al 2 O 3 + Li 2 O) / (CaO + SiO 2 + Na 2 O + K 2 O) is greater than 0.46, including at least 0.47, at least 0.48, at least 0.49 and at least 0.50.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления соотношение (R3) массового процентного содержания MgO и массового процентного содержания SiCl2 составляет выше 0,175, в том числе выше 0,18, выше 0,19 или выше 0,20.According to any of the exemplary embodiments, the ratio (R3) of the mass percentage of MgO to the mass percentage of SiCl2 is greater than 0.175, including greater than 0.18, greater than 0.19, or greater than 0.20.
Стеклянная композиция согласно настоящему изобретению может иметь любое сочетание соотношений R1, R2 и R3, хотя стеклянная композиция, которая удовлетворяет каждому из представленных соотношений, имеет достаточно высокие значения модуля упругости, удельного модуля упругости и ΔΤ без увеличения температуры волокнообразования выше 1300°C. Указанные соотношения также обеспечивают значительное увеличение прочности при растяжении после изготовления.The glass composition of the present invention may have any combination of the ratios R1, R2 and R3, although a glass composition that satisfies each of the ratios presented has sufficiently high values of the elastic modulus, specific elastic modulus and ΔΤ without increasing the fiberization temperature above 1300°C. These ratios also provide a significant increase in tensile strength after manufacture.
Стеклянная композиция содержит по меньшей мере 57% по массе, но не более чем 62% по массе SiCl2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит по меньшей мере или более чем 57,1% по массе, в том числе по меньшей мере или более чем 57,25% по массе, по меньшей мере или более чем 57,3% по массе, по меньшей мере или более чем 57,5% по массе, по меньшей мере или более чем 57,7% по массе и по меньшей мере или более чем 58,0% по массе SiCl2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит не более чем 60,5% по массе, в том числе не более чем 60,3% по массе, не более чем 60,2% по массе, не более чем 60% по массе, не более чем 59,8% по массе и не более чем 59,5% по массе SiCl2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит от 57,15% по массе до менее чем 59% по массе SiCl2.The glass composition comprises at least 57% by weight, but not more than 62% by weight SiCl 2 . According to some example embodiments, the glass composition comprises at least or more than 57.1% by weight, including at least or more than 57.25% by weight, at least or more than 57.3% by weight, at least or more than 57.5% by weight, at least or more than 57.7% by weight, and at least or more than 58.0% by weight SiCl 2 . According to some example embodiments, the glass composition comprises no more than 60.5% by weight, including no more than 60.3% by weight, no more than 60.2% by weight, no more than 60% by weight, no more than 59.8% by weight, and no more than 59.5% by weight of SiCl2. According to some example embodiments, the glass composition comprises from 57.15% by weight to less than 59% by weight of SiCl2.
Для одновременного достижения желательных механических и волокнообразующих свойств согласно одному важному аспекту стеклянная композиция содержит Al2O3 в концентрации, составляющей по меньшей мере 19,0% по массе и не более чем 25,0% по массе. Содержание менее чем 19,0% по массе Al2O3 способствует образованию стеклянного волокна, имеющего неблагоприятно низкий модуль упругости. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит по меньшей мере 19,5% по массе, в том числе по меньшей мере 19,7% по массе, по меньшей мере 20,0% по массе, по меньшей мере 20,05% по массе, по меньшей мере 20,1 и по меньшей мере 20,3% по массе Al2O3. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит не более чем 22,0% по массе, в том числе не более чем 21,8% по массе, не более чем 21,6% по массе, не более чем 21,2% по массе, не более чем 21,1% по массе и не более чем 21,0% по массе Al2O3. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать от 20,0% по массе до менее чем 21,0% по массе Al2O3. Содержание Al2O3 в более высоких концентрациях усиливает склонность к кристаллизации.In order to simultaneously achieve desirable mechanical and fiber-forming properties, according to one important aspect, the glass composition comprises Al 2 O 3 in a concentration of at least 19.0% by weight and no more than 25.0% by weight. A content of less than 19.0% by weight of Al 2 O 3 promotes the formation of a glass fiber having an unfavorably low elastic modulus. According to some example embodiments, the glass composition comprises at least 19.5% by weight, including at least 19.7% by weight, at least 20.0% by weight, at least 20.05% by weight, at least 20.1 and at least 20.3% by weight of Al2O3. According to some exemplary embodiments, the glass composition contains no more than 22.0% by weight, including no more than 21.8% by weight, no more than 21.6% by weight, no more than 21.2% by weight, no more than 21.1% by weight, and no more than 21.0% by weight of Al2O3. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can contain from 20.0% by weight to less than 21.0% by weight of Al2O3. The content of Al2O3 in higher concentrations increases the tendency to crystallize.
Стеклянная композиция преимущественно содержит по меньшей мере 8,0% по массе и не более чем 15,0% по массе MgO. Содержание более чем 15,0% по массе MgO будет приводить к повышению темпеThe glass composition preferably contains at least 8.0% by weight and no more than 15.0% by weight of MgO. A content of more than 15.0% by weight of MgO will result in an increase in the tempera
- 5 048682 ратуры ликвидуса, что также усиливает склонность к стекла к кристаллизации. Содержание менее чем 8,0% по массе MgO приводит к образованию стеклянного волокна, имеющего неблагоприятно низкий модуль упругости, в случае замещения CaO и к неблагоприятному увеличению вязкости в случае замещения SiO2. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать по меньшей мере 9,5% по массе MgO, в том числе по меньшей мере 10,0% по массе, по меньшей мере 10,5% по массе, по меньшей мере 11,0% по массе, по меньшей мере 11,10% по массе и по меньшей мере 11,50% по массе MgO. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать не более чем 12,5% по массе, в том числе не более чем 12,0% по массе, не более чем 11,9% по массе или не более чем 11,8% по массе MgO. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать MgO в концентрации, составляющей между 10,5% по массе и менее чем 12,0% по массе.- 5 048682 liquidus temperature, which also enhances the tendency of glass to crystallize. A content of less than 8.0% by weight of MgO leads to the formation of a glass fiber having an unfavorably low elastic modulus, in the case of substitution of CaO and to an unfavorable increase in viscosity in the case of substitution of SiO 2 . According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can contain at least 9.5% by weight of MgO, including at least 10.0% by weight, at least 10.5% by weight, at least 11.0% by weight, at least 11.10% by weight and at least 11.50% by weight of MgO. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may comprise no more than 12.5% by weight, including no more than 12.0% by weight, no more than 11.9% by weight, or no more than 11.8% by weight of MgO. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may comprise MgO in a concentration of between 10.5% by weight and less than 12.0% by weight.
стеклянная композиция преимущественно содержит по меньшей мере 7,0% по массе и не более чем 12,0% по массе CaO. Содержание более чем 12,0% по массе CaO приводит к образованию стекла, имеющего низкий модуль упругости. Содержание менее чем 7,0% по массе CaO будет приводить к неблагоприятному увеличению температуры ликвидуса или вязкости в зависимости от того, какой оксид будет замещать CaO. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать по меньшей мере 7,15% по массе, в том числе по меньшей мере 7,4% по массе, по меньшей мере 7,7% по массе, по меньшей мере 8,0% по массе и по меньшей мере 8,2% по массе CaO. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать не более чем 11,5% по массе, в том числе не более чем 10,0% по массе, не более чем 9,8% по массе, не более чем 9,5% по массе и не более чем 9,0% по массе CaO. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать CaO в концентрации, составляющей между 7,9% по массе и менее чем 9,0% по массе.the glass composition preferably comprises at least 7.0% by weight and no more than 12.0% by weight of CaO. A content of more than 12.0% by weight of CaO results in the formation of a glass having a low elastic modulus. A content of less than 7.0% by weight of CaO will result in an unfavorable increase in the liquidus temperature or viscosity, depending on which oxide will replace the CaO. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can comprise at least 7.15% by weight, including at least 7.4% by weight, at least 7.7% by weight, at least 8.0% by weight and at least 8.2% by weight of CaO. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may comprise no more than 11.5% by weight, including no more than 10.0% by weight, no more than 9.8% by weight, no more than 9.5% by weight, and no more than 9.0% by weight of CaO. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may comprise CaO in a concentration of between 7.9% by weight and less than 9.0% by weight.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления суммарное количество SiCl2, Al2O3, MgO и CaO может составлять по меньшей мере 98,0% по массе или по меньшей мере 99% по массе и не более чем 99,5% по массе. Согласно любому из примерных вариантов осуществления суммарное количество SiCl2, Al2O3, MgO и CaO может составлять между 97,5% по массе и менее чем 99,5% по массе, в том числе между 98,0% по массе и менее чем 99,0% по массе и между 98,05% по массе и 98,8% по массе.According to any of the exemplary embodiments, the total amount of SiCl2 , Al2O3 , MgO and CaO can be at least 98.0% by weight or at least 99% by weight and no more than 99.5% by weight. According to any of the exemplary embodiments, the total amount of SiCl2 , Al2O3 , MgO and CaO can be between 97.5% by weight and less than 99.5% by weight, including between 98.0% by weight and less than 99.0% by weight and between 98.05 % by weight and 98.8% by weight.
Стеклянная композиция содержит Li2O в количестве от около 0,1% по массе вплоть до около 2,0% по массе. В присутствии Li2O уменьшается температура волокнообразования стеклянной композиции, и увеличивается модуль упругости изготовленных из нее стеклянных волокон. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать от около 0,2% по массе до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,4% по массе до около 0,8% по массе и от около 0,45 до около 0,7% по массе Li2O. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать более чем 0,45% по массе и менее чем 0,8% по массе Li2O.The glass composition contains Li2O in an amount of from about 0.1% by weight up to about 2.0% by weight. In the presence of Li2O , the fiberization temperature of the glass composition decreases, and the elastic modulus of glass fibers made from it increases. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can contain from about 0.2% by weight to about 1.0% by weight, including from about 0.4% by weight to about 0.8% by weight and from about 0.45 to about 0.7% by weight of Li2O. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can contain more than 0.45% by weight and less than 0.8% by weight of Li2O.
Стеклянная композиция может содержать вплоть до около 2,0% по массе TiO2. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать от около 0,05% по массе до около 1,5% по массе, в том числе от около 0,4% по массе до около 1,0% по массе и от около 0,5 до около 0,7% по массе TiO2.The glass composition may comprise up to about 2.0% by weight TiO 2 . According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may comprise from about 0.05% by weight to about 1.5% by weight, including from about 0.4% by weight to about 1.0% by weight and from about 0.5 to about 0.7% by weight TiO 2 .
Стеклянная композиция может содержать вплоть до около 2,0% по массе Fe2O3. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать около 0,05% по массе до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,2% по массе до около 0,8% по массе и от около 0,3 до около 0,6% по массе Fe2O3.The glass composition may comprise up to about 2.0% by weight Fe 2 O3. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may comprise about 0.05% by weight to about 1.0% by weight, including from about 0.2% by weight to about 0.8% by weight and from about 0.3 to about 0.6% by weight Fe 2 O 3 .
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать менее чем 2,0% по массе, в том числе между 0 и 1,5% по массе оксидов щелочных металлов (Na2O и K2O). Стеклянная композиция может преимущественно содержать одновременно Na2O и K2O в количестве, составляющем более чем 0,01% по массе для каждого оксида. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать от около 0 до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,01 до около 0,5% по массе, от около 0,03 до около 0,3% по массе и от около 0,04 до около 0,1% по массе Na2O. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать от около 0 до около 1% по массе, в том числе от около 0,01 до около 0,5% по массе, от около 0,03 до около 0,3% по массе, и от около 0,04 до около 0,2% по массе K2O.According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may contain less than 2.0% by weight, including between 0 and 1.5% by weight of alkali metal oxides (Na 2 O and K2O). The glass composition may advantageously contain both Na 2 O and K2O in an amount greater than 0.01% by weight for each oxide. According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can contain from about 0 to about 1.0% by weight, including from about 0.01 to about 0.5% by weight, from about 0.03 to about 0.3% by weight, and from about 0.04 to about 0.1% by weight of Na2O . According to any of the exemplary embodiments, the glass composition can contain from about 0 to about 1% by weight, including from about 0.01 to about 0.5% by weight, from about 0.03 to about 0.3% by weight, and from about 0.04 to about 0.2% by weight of K2O.
При упоминании в настоящем документе термины массовое процентное содержание, % по массе, мас.% и процент по массе могут быть использованы взаимозаменяемым образом и означают массовое процентное содержание (или процентное содержание по массе) по отношению к полной массе композиции.When referred to herein, the terms weight percentage, % by weight, wt.%, and percent by weight may be used interchangeably and mean weight percentage (or percentage by weight) relative to the total weight of the composition.
В стеклянных композициях согласно настоящему изобретению могут отсутствовать или практически отсутствовать B2O3, SrO и фтор, хотя любой ингредиент может быть добавлен в небольшом количестве для регулирования волокнообразования и свойств конечного стекла, и он не будет производить неблагоприятного воздействия на свойства, если его содержание сохраняется на уровне ниже нескольких процентов. При упоминании в настоящем документе практическое отсутствие B2O3, SrO и фтора означает, что суммарное содержание присутствующих B2O3, SrO и фтора составляет менее чем 1,0% по массеGlass compositions according to the present invention may be free or substantially free of B2O3 , SrO and fluorine, although any ingredient may be added in small amounts to control the fiber formation and properties of the final glass and will not produce an adverse effect on the properties if its content is kept below a few percent. As used herein , substantially free of B2O3 , SrO and fluorine means that the combined content of B2O3 , SrO and fluorine present is less than 1.0% by weight.
- 6 048682 по отношению к массе композиции. Суммарное содержание присутствующих B2O3, SrO и фтора может составлять менее чем около 0,5% по массе, в том числе менее чем около 0,2% по массе, менее чем около 0,1% по массе и менее чем около 0,05% по массе по отношению к массе композиции.- 6 048682 relative to the weight of the composition. The total content of B2O3, SrO and fluorine present may be less than about 0.5% by weight, including less than about 0.2% by weight, less than about 0.1% by weight and less than about 0.05% by weight relative to the weight of the composition.
Стеклянные композиции могут дополнительно содержать примесные и/или следовые компоненты, которые не производят неблагоприятного воздействия на стекла или волокна. Указанные примеси могут поступать в стекло в качестве примесей, присутствующих в исходном материале, или они могут представлять собой продукты, которые образуются в результате химической реакции расплавленного стекла с материалами печи. Неограничительные примеры следовых компонентов представляют собой цинк, стронций, барий и их сочетания. Следовые компоненты могут присутствовать в соответствующих оксидных формах и могут дополнительно содержать фтор и/или хлор. Согласно любому из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения стеклянная композиция может содержать менее чем 1,0% по массе, в том числе менее чем 0,5% по массе, менее чем 0,2% по массе и менее чем 0,1% по массе каждого из оксидов BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 и SO3. В частности, стеклянная композиция может содержать менее чем около 5,0% по массе суммы оксидов BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 и/или SO3, причем в случае своего присутствия каждый из оксидов BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 и SO3 присутствует в количестве, составляющем менее чем 1,0% по массе.The glass compositions may further comprise impurity and/or trace components that do not adversely affect the glasses or fibers. These impurities may enter the glass as impurities present in the starting material, or they may be products that are formed as a result of the chemical reaction of the molten glass with the furnace materials. Non-limiting examples of trace components are zinc, strontium, barium and combinations thereof. The trace components may be present in the corresponding oxide forms and may further comprise fluorine and/or chlorine. According to any of the exemplary embodiments of the present invention, the glass composition may comprise less than 1.0% by weight, including less than 0.5% by weight, less than 0.2% by weight and less than 0.1% by weight of each of the oxides BaO, SrO, ZnO, ZrO 2 , P 2 O 5 and SO3. In particular, the glass composition may contain less than about 5.0% by weight of the sum of the oxides BaO, SrO, ZnO , ZrO2 , P2O5 and/or SO3, wherein, if present, each of the oxides BaO, SrO, ZnO, ZrO2 , P2O5 and SO3 is present in an amount of less than 1.0% by weight.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянные композиции могут содержать менее чем 2,0% по массе следующих модифицирующих компонентов (в сумме): CeO2, Li2O, Fe2O3, TiO2, WO3 и Bi2O3. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянные композиции могут содержать менее чем 1,5% по массе модифицирующих компонентов.According to any of the exemplary embodiments, the glass compositions can contain less than 2.0% by weight of the following modifying components (in total): CeO 2 , Li 2 O, Fe 2 O3, TiO 2 , WO3, and Bi 2 O3. According to any of the exemplary embodiments, the glass compositions can contain less than 1.5% by weight of the modifying components.
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянная композиция может содержать менее чем 1,0% по массе, в том числе между 0 и 0,9% по массе или между 0 и 0,5% по массе оксидов редкоземельных элементов Y2O3, Ga2O3, Sm2O3, Nd2O3, La2O3, Ce2O3 и Sc2O3 (R2O3), а также Ta2O5, Nb2O5 или V2O5 (R2O5). Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции отсутствуют оксиды редкоземельных элементов.According to any of the exemplary embodiments, the glass composition may contain less than 1.0% by weight, including between 0 and 0.9% by weight or between 0 and 0.5% by weight of the rare earth oxides Y 2 O3, Ga 2 O3, Sm 2 O3, Nd 2 O3, La 2 O3, Ce 2 O3 and Sc 2 O3 (R2O3), as well as Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 or V 2 O 5 ( R2 O 5 ). According to some exemplary embodiments, the glass composition is free of rare earth oxides.
Как указано выше, стеклянные композиции согласно настоящему изобретению неожиданно демонстрируют баланс между низкой температурой волокнообразования и умеренными значениями модуля упругости (модуль Юнга) и прочности при растяжении, что позволяет получать стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками для применения в современных и композиционных материалах форм без необходимости изменения конфигурации таких форм на последующих стадиях процесса.As noted above, the glass compositions of the present invention unexpectedly exhibit a balance between low fiberization temperature and moderate values of elastic modulus (Young's modulus) and tensile strength, which allows glass fibers to be produced with high performance characteristics for use in modern and composite mold materials without the need to change the configuration of such molds at subsequent process stages.
Прочность волокна при растяжении также упоминается в настоящем документе просто как прочность. Согласно любому из примерных вариантов осуществления прочность при растяжении измеряют, используя свежеизготовленные волокна (т.е. не подвергнутые замасливанию или механической обработке изготовленные в лаборатории волокна) и прибор Instron для исследования при растяжении согласно стандарту ASTM D2343-09. Примерные стеклянные волокна, изготовленные из описанной выше стеклянной композиции согласно настоящему изобретению, могут иметь прочность при растяжении волокон, составляющую по меньшей мере 4500 МПа, в том числе по меньшей мере 4600 МПа, по меньшей мере 4700 МПа, по меньшей мере 4800 МПа, по меньшей мере 4825 МПа и по меньшей мере 4850 МПа. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянные волокна, изготовленные из описанной в настоящем документе композиции, могут иметь прочность при растяжении волокон, составляющую от около 4000 до около 5000 МПа, в том числе от около 4350 МПа до около 4950 и от около 4400 до около 4900 МПа. Преимущественно сочетание параметров композиций, которые описаны в настоящем документе, делает возможным изготовление стеклянных волокон, имеющих прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4800 МПа, в том числе по меньшей мере 4850 МПа, при сохранении желательных свойств волокнообразования и умеренного модуля упругости.The tensile strength of the fiber is also referred to herein simply as strength. According to any of the exemplary embodiments, the tensile strength is measured using freshly made fibers (i.e., untapped or unmachined laboratory-made fibers) and an Instron tensile testing machine according to ASTM D2343-09. Exemplary glass fibers made from the above-described glass composition according to the present invention can have a tensile strength of the fibers of at least 4500 MPa, including at least 4600 MPa, at least 4700 MPa, at least 4800 MPa, at least 4825 MPa, and at least 4850 MPa. According to any of the exemplary embodiments, glass fibers made from the composition described herein can have a tensile strength of the fibers of from about 4000 to about 5000 MPa, including from about 4350 MPa to about 4950 and from about 4400 to about 4900 MPa. Advantageously, the combination of parameters of the compositions that are described herein makes it possible to produce glass fibers having a tensile strength of at least 4800 MPa, including at least 4850 MPa, while maintaining desirable fiberization properties and a moderate elastic modulus.
Модуль упругости стеклянного волокна может быть определен посредством получения средних результатов измерений пяти одиночных стеклянных волокон, измеряемых в соответствии с процедурой акустических измерений, описанной в отчете Стеклянные волокна и средства их измерения в артиллерийско-технической лаборатории ВМФ США, отчет № NOLTR 65-87 от 23 июня 1965 г.The elastic modulus of a glass fiber may be determined by averaging the results of five single glass fibers measured in accordance with the acoustic measurement procedure described in Glass Fibers and Their Measurement Instruments at the Naval Ordnance Laboratory, Report No. NOLTR 65-87, June 23, 1965.
Примерные стеклянные волокна, изготовленные из стеклянной композиции согласно настоящему изобретению, могут иметь умеренно высокий модуль упругости (модуль Юнга), составляющий между около 90 ГПа и около 92 ГПа. Важно поддерживать умеренный модуль упругости, который не превышает 92 ГПа, для обеспечения возможности применения стеклянных волокон в существующих композиционных формах, что способствует снижению стоимости стеклянной композиции согласно настоящему изобретению. Когда модуль упругости превышает 92 ГПа, новые композиционные формы оказываются желательными для увеличения размера и других параметров композиционного материала. Однако целевой модуль упругости, составляющий между 90 и 92 ГПа, обеспечивает улучшенные эксплуатационные характеристики композиционных материалов в пределах действующих технических условий для форм. Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянные волокна, изготовленные в соответствии с настоящей заявкой, могут иметь модуль упругости, составляющий по меньшей мере 90,5 ГПа, в том числе по меньшей мере 90,6 ГПа, по меньшей мере 90,8 ГПа, по меньшей мере 91,0 ГПа, по меньExemplary glass fibers made from the glass composition of the present invention may have a moderately high elastic modulus (Young's modulus) of between about 90 GPa and about 92 GPa. It is important to maintain a moderate elastic modulus of no more than 92 GPa to allow the glass fibers to be used in existing composite molds, which helps reduce the cost of the glass composition of the present invention. When the elastic modulus exceeds 92 GPa, new composite molds are desirable to increase the size and other parameters of the composite material. However, a target elastic modulus of between 90 and 92 GPa provides improved performance of the composite materials within the current mold specifications. According to any of the exemplary embodiments, glass fibers made in accordance with the present application can have an elastic modulus of at least 90.5 GPa, including at least 90.6 GPa, at least 90.8 GPa, at least 91.0 GPa, at least
- 7 048682 шей мере 91,2 ГПа. Согласно любому из примерных вариантов осуществления примерные стеклянные волокна, изготовленные из стеклянной композиции согласно настоящему изобретению, могут иметь модуль упругости, составляющий между около 90,2 ГПа и около 92 ГПа, в том числе между около 90,5 ГПа и около 91,9 ГПа и между около 90,7 ГПа и около 91,8 ГПа.- 7 048 682 at least 91.2 GPa. According to any of the exemplary embodiments, exemplary glass fibers made from the glass composition of the present invention may have an elastic modulus of between about 90.2 GPa and about 92 GPa, including between about 90.5 GPa and about 91.9 GPa and between about 90.7 GPa and about 91.8 GPa.
После этого модуль упругости может быть использован для определения удельного модуля упругости. Оказывается желательным, чтобы удельный модуль упругости принимал наиболее высокое значение, насколько это возможно, для получения имеющего низкую плотность композиционного материала, который увеличивает жесткость конечного изделия. Удельный модуль упругости имеет большое значение в таких приложениях, в которых жесткость изделия представляет собой важный параметр, например, в ветряной энергетике и аэрокосмических приложениях. При использовании в настоящем документе удельный модуль упругости вычисляют по следующему уравнению: удельный модуль упругости (МДж/кг) = модуль упругости (ГПа)/плотность (кг/куб, м)The modulus of elasticity can then be used to determine the specific modulus of elasticity. It is desirable for the specific modulus of elasticity to be as high as possible in order to obtain a low-density composite material that increases the stiffness of the final product. The specific modulus of elasticity is of great importance in applications in which the stiffness of the product is an important parameter, such as wind energy and aerospace applications. As used herein, the specific modulus of elasticity is calculated using the following equation: specific modulus of elasticity (MJ/kg) = elastic modulus (GPa)/density (kg/cu.m)
Примерные стеклянные волокна, изготовленные из стеклянной композиции согласно настоящему изобретению, могут иметь удельный модуль упругости, составляющий от около 32,0 до около 37,0 МДж/кг, в том числе от около 33 до около 36 МДж/кг и от около 34,0 до около 35,0 МДж/кг.Exemplary glass fibers made from the glass composition of the present invention may have a specific elastic modulus of from about 32.0 to about 37.0 MJ/kg, including from about 33 to about 36 MJ/kg and from about 34.0 to about 35.0 MJ/kg.
Плотность может быть измерена с применением любого метода, известного и общепринятого в технике, такого как метод Архимеда согласно стандарту ASTM C693-93 (2008), для стеклянной массы, не подвергнутой отжигу. Стеклянные волокна имеют плотность, составляющую от около 2,0 до около 3,0 г/см3. В частности, согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянные волокна могут иметь плотность, составляющую от около 2,45 до около 2,8 г/см3, в том числе от около 2,40 до около 2,75 г/см3, от около 2,50 до около 2,70 г/см3 и от около 2,60 до около 2,68 г/см3.The density can be measured using any method known and generally accepted in the art, such as the Archimedes method according to ASTM C693-93 (2008) for a glass mass that has not been annealed. The glass fibers have a density of about 2.0 to about 3.0 g/ cm3 . In particular, according to any of the example embodiments, the glass fibers can have a density of about 2.45 to about 2.8 g/ cm3 , including about 2.40 to about 2.75 g/ cm3 , about 2.50 to about 2.70 g/ cm3 and about 2.60 to about 2.68 g/ cm3 .
Согласно любому из примерных вариантов осуществления стеклянные волокна, изготовленные из стеклянной композиции согласно настоящему изобретению, могут иметь повышенное сопротивление коррозии.According to any of the exemplary embodiments, glass fibers made from the glass composition of the present invention may have increased corrosion resistance.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления предложен способ изготовления стеклянных волокон из стеклянной композиции, которая описана выше. Стеклянные волокна могут быть изготовлены с применением любых средств, которые известны и традиционно используются в технике. Стеклянные волокна изготавливают посредством получения исходных ингредиентов и смешивания ингредиентов в соответствующих количествах с достижением желательного массового процентного содержания ингредиентов в конечной композиции. Способ может дополнительно включать получение стеклянной композиции согласно настоящему изобретению в расплавленной форме и вытягивание расплавленной композиции через отверстия в насадке с образованием стеклянного волокна.According to some exemplary embodiments, a method for producing glass fibers from a glass composition as described above is provided. The glass fibers can be produced using any means known and conventionally used in the art. The glass fibers are produced by obtaining starting ingredients and mixing the ingredients in appropriate amounts to achieve a desired weight percentage of the ingredients in the final composition. The method can further include obtaining a glass composition according to the present invention in molten form and drawing the molten composition through holes in a nozzle to form a glass fiber.
После этого смешанная шихта может быть подвергнута плавлению в печи или стекловаренной печи, и получаемое в результате расплавленное стекло пропускают через канал питателя и выпускают через отверстия в насадке, расположенной в нижней части канала питателя с образованием индивидуальных стеклянных волокон. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления печь или стекловаренная печь представляет собой традиционную огнеупорную стекловаренную печь. В результате применения огнеупорного резервуара, изготовленного из огнеупорных блоков, могут быть сокращены производственные расходы, связанные с изготовлением стеклянных волокон, производимых из композиции согласно настоящему изобретению. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления насадка представляет собой насадку из сплава на основе платины. После этого нити из стеклянных волокон могут быть изготовлены посредством сбора друг с другом индивидуальных волокон. Волоконные нити можно наматывать и подвергать дополнительной обработке традиционным способом, подходящим для заданного применения.The mixed batch may then be melted in a furnace or a glass melting furnace, and the resulting molten glass is passed through a feeder channel and discharged through openings in a nozzle located at the bottom of the feeder channel to form individual glass fibers. According to some exemplary embodiments, the furnace or glass melting furnace is a conventional refractory glass melting furnace. By using a refractory vessel made of refractory blocks, the manufacturing costs associated with the production of glass fibers produced from the composition according to the present invention may be reduced. According to some exemplary embodiments, the nozzle is a platinum-based alloy nozzle. Glass fiber strands may then be produced by collecting individual fibers together. The fiber strands may be wound and further processed in a conventional manner suitable for a given application.
Рабочие температуры стекла в стекловаренной печи, канале питателя и насадке могут быть выбраны в целях соответствующего регулирования вязкости стекла, и их можно поддерживать с применением подходящих способов, например, с применением регулирующих устройств. Температуру на переднем конце стекловаренной печи можно автоматически регулировать, чтобы сокращать или устранять расстекловывание. После этого расплавленное стекло можно пропускать (вытягивать) через отверстия или фильерные отверстия в нижней части или концевой пластины насадки с образованием стеклянных волокон. В соответствии с некоторыми примерными вариантами осуществления, потоки расплавленного стекла, которые проходят через отверстия насадки, превращают в волокна посредством наматывания нити, образованной из множества индивидуальных волокон на формовочную трубку, установленную на вращающийся фланец намоточной машины, или разрезают с регулируемой скоростью. Стеклянные волокна согласно настоящему изобретению могут быть получены любым из способов, которые описаны в настоящем документе, или любым известным способом изготовления стеклянных волокон.The operating temperatures of the glass in the glass melting furnace, the feeder channel and the nozzle can be selected in order to appropriately control the viscosity of the glass, and they can be maintained using suitable methods, for example, using control devices. The temperature at the front end of the glass melting furnace can be automatically controlled to reduce or eliminate devitrification. Thereafter, the molten glass can be passed (drawn) through openings or spinneret holes in the bottom or end plate of the nozzle to form glass fibers. According to some exemplary embodiments, the streams of molten glass that pass through the openings of the nozzle are converted into fibers by winding a thread formed from a plurality of individual fibers on a forming tube mounted on a rotating flange of a winding machine, or are cut at a controlled speed. Glass fibers according to the present invention can be obtained by any of the methods described in this document or by any known method for producing glass fibers.
Волокна могут быть подвергнуты дополнительной обработке традиционным способом, подходящим для заданного применения. Например, согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна замасливают с применением замасливающей композиции, известной специалистам в данной области техники. Замасливающая композиция не ограничивается никаким образом и может представлять собой любую замасливающую композицию, подходящую для нанесения на стеклянные волокна. После замасливания волокна могут быть использованы для армирования подложек, таких как разноThe fibers may be further processed in a conventional manner suitable for the intended application. For example, according to some exemplary embodiments, the glass fibers are sized using a sizing composition known to those skilled in the art. The sizing composition is not limited in any way and may be any sizing composition suitable for application to glass fibers. After sizing, the fibers may be used to reinforce substrates such as various
- 8 048682 образные пластмассы, когда для конечного применения изделия требуются высокая прочность и жесткость и низкая плотность. Такие применения представляют собой, но не ограничиваются этим, тканые полотна для применения в изготовлении лопастей ветряных турбин; объекты инфраструктуры, такие как армированные бетонные конструкции, мосты и т. д.; а также аэрокосмические конструкции.- 8 048682 shaped plastics where high strength and stiffness and low density are required for the end use of the article. Such applications include, but are not limited to, woven fabrics for use in the manufacture of wind turbine blades; infrastructure such as reinforced concrete structures, bridges, etc.; and aerospace structures.
В данном отношении согласно любому из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения может присутствовать композиционный материал, содержащий стеклянные волокна согласно настоящему изобретению, которые описаны выше, в сочетании с отверждающимся матричным материалом. Такое изделие также может упоминаться в настоящем документе как армированное композиционное изделие. В качестве матричного материала может присутствовать любая подходящая термопластическая или термореактивная смола, известную специалистам в данной области техники, такой как, но без ограничения, термопластический материал, такой как сложный полиэфир, полипропилен, полиамид, полиэтилентерефталат и полибутилен, а также термореактивная смола, такая как эпоксидная смола, ненасыщенный сложный полиэфир, фенольная смола, сложный эфир винилового спирта и эластомер. Указанная смола может быть использована индивидуально или в сочетании. Армированное композиционное изделие может находить применение в изготовлении композиционных изделий, таких как лопасти ветряных турбин, арматурный профиль, труба, волоконная обмотка, муфельный наполнитель, звукопоглощающий материал и т. д.In this regard, according to any of the exemplary embodiments of the present invention, a composite material may be present, comprising glass fibers according to the present invention, as described above, in combination with a curable matrix material. Such an article may also be referred to herein as a reinforced composite article. As a matrix material, any suitable thermoplastic or thermosetting resin known to those skilled in the art may be present, such as, but not limited to, a thermoplastic material such as polyester, polypropylene, polyamide, polyethylene terephthalate and polybutylene, as well as a thermosetting resin such as epoxy resin, unsaturated polyester, phenolic resin, vinyl alcohol ester and elastomer. Said resin may be used individually or in combination. The reinforced composite product can be used in the production of composite products such as wind turbine blades, reinforcement profile, pipe, fiber winding, muffle filler, sound-absorbing material, etc.
В соответствии со следующими примерными вариантами осуществления настоящего изобретения, предложен способ изготовления композиционного изделия, которое описано выше. Способ может включать объединение по меньшей мере одного полимерного матричного материала и множества стеклянных волокон. Как полимерный матричный материал, так и стеклянные волокна могут быть такими, как описано выше.According to the following exemplary embodiments of the present invention, a method for producing a composite article as described above is provided. The method may include combining at least one polymer matrix material and a plurality of glass fibers. Both the polymer matrix material and the glass fibers may be as described above.
ПримерыExamples
Примерные стеклянные композиции согласно настоящему изобретению получали в результате смешивания компонентов шихты в пропорциональных количествах с получением конечной стеклянной композиции, для которой массовое процентное содержание оксидов представлено ниже в табл. 1-2.Exemplary glass compositions according to the present invention were prepared by mixing batch components in proportional amounts to obtain a final glass composition for which the weight percentage of oxides is presented below in Tables 1-2.
Исходные материалы плавили в платиновом тигле в электрической нагревательной печи при температуре 1650°C в течение 3 ч.The starting materials were melted in a platinum crucible in an electric heating furnace at a temperature of 1650°C for 3 h.
Температуру волокнообразования измеряли с применением метода вращающегося цилиндра согласно описанию в стандарте ASTM C965-96 (2007), озаглавленном Стандартная практика измерения вязкости стекла выше температуры размягчения, содержание которого включено посредством ссылки в настоящий документ. Температуру ликвидуса измеряли в результате воздействия на стекло температурного градиента в лодочке из сплава на основе платины в течение 16 ч согласно описанию в стандарте ASTM C829-81 (2005), озаглавленном Стандартная практика измерения температуры ликвидуса стекла, содержание которого включено посредством ссылки в настоящий документ. Плотность измеряли методом Архимеда согласно подробному описанию в стандарте ASTM C693-93 (2008), озаглавленном Стандартный метод измерения плотности стекла по выталкивающей силе, содержание которого включено посредством ссылки в настоящий документ.The fiberization temperature was measured using the rotating cylinder method as described in ASTM C965-96 (2007), Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point, which is incorporated by reference herein. The liquidus temperature was measured by subjecting the glass to a temperature gradient in a platinum-base alloy boat for 16 hours as described in ASTM C829-81 (2005), Standard Practice for Measuring Liquidus Temperature of Glass, which is incorporated by reference herein. The density was measured by the Archimedes method as described in detail in ASTM C693-93 (2008), Standard Test Method for Measuring Density of Glass by Buoyancy, which is incorporated by reference herein.
Удельный модуль упругости вычисляли в результате деления измеренного модуля упругости (или модуля Юнга), выраженного в гигапаскалях, на плотность, выраженную в г/см3.The specific modulus of elasticity was calculated by dividing the measured modulus of elasticity (or Young's modulus), expressed in gigapascals, by the density, expressed in g/ cm3 .
Прочность при растяжении измеряли для свежеизготовленных волокон с применением прибора Instron для измерения при растяжении согласно описании в стандарте ASTM D2343-09, озаглавленном Стандартный метод исследования свойств при растяжении стекловолоконных нитей, пряжей и ровниц, используемых в армированных пластмассах, содержание которого включено посредством ссылки в настоящий документ.Tensile strength was measured on as-spun fibers using an Instron tensile strength tester as described in ASTM D2343-09, Standard Test Method for Tensile Properties of Glass Fiber Yarns, Filaments, and Rovings Used in Reinforced Plastics, the contents of which are incorporated by reference herein.
Таблица 1Table 1
- 9 048682- 9 048682
Таблица 2Table 2
В табл. 1 и 2 проиллюстрирован определенный баланс умеренного модуля упругости (между 90 и 92 Гпа) и хорошей прочности при растяжении с одновременным сохранением температуры волокнообразования ниже 1300°C, что достигается в случае стеклянных волокон, изготовленных в соответствии с идеями настоящего изобретения. В частности, для каждой из стеклянных композиций в табл. 1 и 2 продемонстрированы соотношение (R1) (MgO+Al2O3)/(CaO+SiO2), составляющее по меньшей мере 0,47, соотношение (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O), составляющее более чем 0,46, и соотношение (R3) (MgO/SiCl2), составляющее по меньшей мере 0,19.Tables 1 and 2 illustrate a certain balance of moderate elastic modulus (between 90 and 92 GPa) and good tensile strength while maintaining the fiberization temperature below 1300°C, which is achieved in the case of glass fibers made in accordance with the teachings of the present invention. In particular, for each of the glass compositions in Tables 1 and 2, a ratio (R1) (MgO+ Al2O3 )/(CaO+ SiO2 ) of at least 0.47, a ratio ( R2 ) ( MgO + Al2O3 + Li2O )/(CaO+ SiO2 + Na2O + K2O ) of more than 0.46, and a ratio (R3) (MgO/ SiCl2 ) of at least 0.19 are demonstrated.
В другой стороны, в приведенной ниже табл. 3 представлены сравнительные примеры из европейской заявки № 10860973.6. Как представлено, в примерных сравнительных композициях не обеспечено ни одно из соотношений R1, R2 и R3, в результате чего температуры волокнообразования превышают 1300°C, а значения модуля упругости превышают 92 ГПа. Стеклянная композиция согласно настоящему изобретению обеспечивает баланс умеренного модуля упругости (между 90 и менее чем 92 Гпа) и хорошей прочности при растяжении с низкой температурой волокнообразования.On the other hand, Table 3 below shows comparative examples from European application No. 10860973.6. As shown, in the exemplary comparative compositions, none of the ratios R1, R2 and R3 are achieved, resulting in fiberization temperatures exceeding 1300°C and elastic modulus values exceeding 92 GPa. The glass composition according to the present invention provides a balance of moderate elastic modulus (between 90 and less than 92 GPa) and good tensile strength with a low fiberization temperature.
- 10 048682- 10 048682
Таблица 3Table 3
Настоящее изобретение согласно данной заявке описано выше как в общем плане, так и в отношении конкретных вариантов осуществления. Хотя настоящее изобретение представлено в таком виде, который считается предпочтительным вариантом осуществления, широкое разнообразие альтернатив, известных специалистам в данном области техники, можно выбирать в пределах объема общего раскрытия. Настоящее изобретение не ограничено ничем, за исключением представленной ниже формулы изобретения.The present invention according to this application has been described above both generally and with respect to specific embodiments. Although the present invention has been presented in what is considered to be a preferred embodiment, a wide variety of alternatives known to those skilled in the art may be selected within the scope of the general disclosure. The present invention is not limited except by the claims presented below.
Claims (18)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/956,422 | 2020-01-02 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA048682B1 true EA048682B1 (en) | 2024-12-25 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7480142B2 (en) | High performance glass fiber composition having improved specific modulus | |
| KR102752872B1 (en) | High-performance fiberglass compositions having improved elastic modulus | |
| KR102668384B1 (en) | High performance fiberglass compositions | |
| DK2630095T3 (en) | Glass composition for the production of high strength and high modulus fibers | |
| WO2012001656A2 (en) | Glass composition for producing high strength and high modulus fibers | |
| KR20220123429A (en) | Fiber glass composition for high modulus | |
| EA048682B1 (en) | GLASS FIBER COMPOSITION FOR INCREASING THE MODULUS OF ELASTICITY | |
| RU2777258C2 (en) | High-quality fiberglass composition | |
| KR102768030B1 (en) | High-performance fiberglass composition with improved modulus | |
| EA046930B1 (en) | HIGH-QUALITY FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED SPECIFIC MODULE OF ELASTICITY | |
| KR20250024866A (en) | High performance fiberglass composition with improved specific modulus | |
| EA045341B1 (en) | HIGH-QUALITY FIBERGLASS COMPOSITION WITH IMPROVED ELASTIC MODULE |