玻璃組合物和由其制造的纖維的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施方案涉及玻璃組合物，由這樣的組合物形成所述的玻璃纖維和相關(guān)產(chǎn)品。在一種實(shí)施方案中，玻璃組合物包含58-62重量%的SiO2，14-17重量%的Al2O3，14-17.5重量%的CaO和6-9重量%的MgO，其中Na2O的量是0.09重量%或更低。
【專利說明】玻璃組合物和由其制造的纖維
[0001]交叉引用的相關(guān)申請
[0002]本申請要求2011年9月9日提交的美國臨時專利申請系列N0.61/532840和2011年9月13日提交的美國臨時專利申請系列N0.61/534041的優(yōu)先權(quán)，每個的全部公開內(nèi)容由此引入作為參考。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及玻璃組合物，和具體涉及用于形成纖維的玻璃組合物。
[0004]發(fā)明背景
[0005]多年以來玻璃纖維已經(jīng)被用于增強(qiáng)不同的聚合物樹脂。一些用于增強(qiáng)應(yīng)用的通常使用的玻璃組合物包括“E-玻璃”和“D-玻璃”族的組合物。另外一種通常使用的玻璃組合物是在商標(biāo)名“S-2玻璃”下市售自AGY (Aiken，南卡羅來納州)。
[0006]在增強(qiáng)和其他應(yīng)用中，玻璃纖維或者用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的某些機(jī)械性能會是重要的。但是在許多情況中，具有改進(jìn)的機(jī)械性能(例如更高的強(qiáng)度，更高的模量等)的玻璃纖維的制造會導(dǎo)致更高的成本，這例如歸因于增加的批量材料成本，增加的制造成本或者其他因素。例如前述“S-2玻璃”具有與常規(guī)的E-玻璃相比改進(jìn)的機(jī)械性能，但是成本明顯更高以及對于批量玻璃轉(zhuǎn)化熔融澄清和纖維牽拉來說明顯更高的溫度和能量需求的結(jié)果。纖維玻璃制造商持續(xù)的尋求這樣的玻璃組合物，其能夠用于形成在商業(yè)制造環(huán)境中具有令人期望的機(jī)械性能的玻璃纖維。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的不同的實(shí)施方案通常涉及玻璃組合物，由這樣的玻璃組合物形成的玻璃纖維，和混入了一種或多種玻璃纖維的不同的產(chǎn)品。
[0008]在一種示例性實(shí)施方案中，玻璃組合物包含58-62重量％的SiO2,14-17重量％的Al2O3,14-17.5重量％的CaO和6_9重量％的MgO，其中Na2O的量是0.09重量％或更低。在另外一種示例性實(shí)施方案中，玻璃組合物包含58-62重量％的SiO2,14-17重量％的Al2O3,
14-16重量％的CaO，6-9重量％的MgO，0-1重量％的Na20,0-0.2重量％的K20,0-1重量％的 Li20,0-0.5 重量 ％ 的 B2O3,0-0.44 重量 ％ 的 Fe2O3,0-0.1 重量 ％ 的 F2,0-1 重量 ％ 的 TiO2,
0-1重量％的ZrO2和0-5重量％的其他成分。在另外一種示例性實(shí)施方案中，玻璃組合物包含 60-62 重量 % 的 SiO2,14.5-16 重量 % 的 Al2O3,14.5-17.5 重量 % 的 CaO 和 6-7.5 重量 %的MgO，其中Na2O的量是0.09重量％或更低。在另外一種示例性實(shí)施方案中，玻璃組合物包含 60-62 重量 % 的 SiO2,15-16 重量 % 的 Al2O3,14.5-16.5 重量 % 的 CaO, 6.5-7.5 重量 %的MgO, 0.09重量%或更低的Na20,0-0.1重量%的K20,0-1重量%的Li20,0-0.1重量%的B2O3,0-0.44 重量 ％ 的 Fe2O3,0-0.1 重量 ％ 的 F2,0-0.75 重量 ％ 的 TiO2,0-0.1 重量 ％ 的 ZrO2 和0-5重量％的其他成分。
[0009]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物基本上不含Na20。本發(fā)明的玻璃組合物在一些實(shí)施方案中基本上不含民03。在一些實(shí)施方案中，該玻璃組合物中(MgO+CaO)含量大于約21.5重量％。玻璃組合物在一些實(shí)施方案中可以具有基于重量百分比的CaO/MgO比例大于約2.0。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物包含0-1重量％的K20。玻璃組合物在一些實(shí)施方案中包含0.09重量％或更低的K2O。玻璃組合物在一些實(shí)施方案中包含0-2重量％的Li20。在玻璃組合物的一些實(shí)施方案中，(Na20+K20+Li20)含量小于約I重量％。
[0010]本發(fā)明的玻璃組合物在一些實(shí)施方案中是能纖維化的，以使得該組合物可以用于形成多個玻璃纖維。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的液相線溫度可以小于約1250°C。本發(fā)明的玻璃組合物在一些實(shí)施方案中的成型溫度可以小于約1300°C。在一些實(shí)施方案中，該玻璃組合物成型溫度和液相線溫度之差是至少50°C。
[0011]本發(fā)明的一些實(shí)施方案涉及由本發(fā)明的玻璃組合物所形成的一種或多種玻璃纖維。在一些實(shí)施方案中，玻璃纖維的楊氏模量可以大于約80GPa。玻璃纖維在一些實(shí)施方案中的楊氏模量可以大于約85GPa。玻璃纖維在一些實(shí)施方案中的楊氏模量可以大于約87GPa。
[0012]本發(fā)明的一些實(shí)施方案涉及聚合物復(fù)合材料。在一些實(shí)施方案中，聚合物復(fù)合材料包含聚合物材料(例如熱塑性或熱固性樹脂)和由這里所述或所公開的玻璃組合物所形成的至少一種玻璃纖維。
[0013]這些和其他實(shí)施方案在下面的【具體實(shí)施方式】中將進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【具體實(shí)施方式】
[0014]除非有相反的 指示，否則下面的說明書中闡述的數(shù)字參數(shù)是近似的，其可以根據(jù)本發(fā)明所尋求獲得的期望的性能而變化。最起碼，和并非打算使用等價原則來限制權(quán)利要求的范圍，每個數(shù)字參數(shù)應(yīng)當(dāng)至少按照所報告的有效數(shù)字的數(shù)值和通過使用通常的四舍五入技術(shù)來解釋。
[0015]雖然闡明本發(fā)明寬的范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似的，但是在具體實(shí)施例中所述的數(shù)值是盡可能精確來報告的。但是任何數(shù)值本質(zhì)上包含了由它們各自的測試測量中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差所必然形成的某些誤差。此外，這里公開的全部范圍被理解為包含處于其中的任何的和全部的子范圍。例如所述的范圍“1-10”應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包括了在最小I和最大值10之間(并包括其)的任何和全部子范圍；即，全部的子范圍是從最小值I或者更大開始例如
1-6.1，并且以最大值10或更低結(jié)束例如5.5-10。另外，提及“在此引入”的任何提及被理解為是以它全部引入的。
[0016]另外要注意的是，作為這個說明書中所用的，單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括了復(fù)數(shù)指示物，除非明確的和毫無疑義的限制到一種指示物之外。
[0017]本發(fā)明通常涉及玻璃組合物。在一方面，本發(fā)明提供由這里所述的玻璃組合物形成的玻璃纖維。在一些實(shí)施方案中，與常規(guī)的E-玻璃纖維相比，本發(fā)明的玻璃纖維可以具有改進(jìn)的機(jī)械性能，例如楊氏模量。
[0018]在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種玻璃組合物，其包含52-67重量％的SiO2,
10.5-20 重量 ％ 的 Al2O3,10.5-19 重量 ％ 的 CaO，4-14 重量 ％ 的 MgO，0-3 重量 ％ 的 Na20,0-1重量％的K20,0-2重量％的Li20,0-4重量％的B2O3,0-0.44重量％的Fe2O3,0-0.5重量％的F2,0-2重量%的TiO2,0-2重量%的ZrO2和0-5重量%的其他成分。
[0019]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的SiO2的量來表征。在一些實(shí)施方案中，SiO2的存在量可以是約52-約67重量％。在一些實(shí)施方案中，SiO2的存在量可以是約55-約67重量％。在一些實(shí)施方案中SiO2的存在量可以是約58-約62重量％。在一些實(shí)施方案中，SiO2的存在量可以是約60-約62重量％。
[0020]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中Al2O3的存在量來表征。Al2O3在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約10.5-約20重量％。在一些實(shí)施方案中，Al2O3的存在量可以是約11-約19重量％。在一些實(shí)施方案中Al2O3的存在量可以是約14-約17重量％的。在一些實(shí)施方案中，Al2O3的存在量可以是約14.5-約16重量％。在一些實(shí)施方案中Al2O3的存在量可以是約15-約16重量％。
[0021]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的CaO的量來表征。CaO在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約10.5-約19重量％。在一些實(shí)施方案中，CaO的存在量可以是約11-約18重量％。在一些實(shí)施方案中CaO的存在量可以是約14-約17.5重量％。在一些實(shí)施方案中，CaO的存在量可以是約14.5-約17.5重量％。在一些實(shí)施方案中CaO的存在量可以是約14-約16重量％。在一些實(shí)施方案中，CaO的存在量可以是約14.5-約
16.5重量％。
[0022]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的MgO的量來表征。MgO在一些實(shí)施方案中的存在量是約4-約14重量％。在一些實(shí)施方案中，MgO的存在量是約
4.5-約13重量％。在一些實(shí)施方案中MgO的存在量可以是約6-約9重量％。在一些實(shí)施方案中，MgO的存在量可以是約6-約7.5重量％。在一些實(shí)施方案中MgO的存在量可以是約6.5-約7.5重量％。
[0023]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的組合物可以通過(MgO+CaO)含量來表征。(MgO+CaO)含量在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中可以大于約21.5重量％。在一些實(shí)施方案中，(MgO+CaO)含量可以大于約21.7重量％。在一些實(shí)`施方案中(MgO+CaO)含量可以大于約22重量％。
[0024]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的組合物可以通過總堿土金屬氧化物(RO)含量(即，Mg0+Ca0+Ba0+Sr0)來表征。RO含量在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中可以大于約21.5重量％。在一些實(shí)施方案中，RO含量可以大于約21.7重量％。RO含量在一些實(shí)施方案中可以大于約22重量％。
[0025]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過MgO相對于CaO的量來表征,其可以表達(dá)為CaO/MgO (CaO的重量百分比除以MgO的重量百分比)。在一些實(shí)施方案中，CaO/MgO可以大于約
2.0。在一些實(shí)施方案中CaO/MgO比例可以大于約2.1。
[0026]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中Na2O的存在量來表征。Na2O在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約3重量％。在一些實(shí)施方案中，Na2O的存在量可以是約0-約2.5重量％。在一些實(shí)施方案中Na2O的存在量可以小于約I重量％。在一些實(shí)施方案中，Na2O的存在量可以是0.09重量％或更低。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物可以基本上不含Na2O,這意味著該玻璃組合物中存在的任何Na2O將是由作為批量材料中的痕量雜質(zhì)而存在的Na2O產(chǎn)生的。
[0027]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的K2O的量來表征。K2O在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約I重量％。在一些實(shí)施方案中，K2O的存在量可以小于約0.2重量％。在一些實(shí)施方案中K2O的存在量可以是0.09重量％或更低。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物可以基本上不含K2O,這意味著該玻璃組合物中存在的任何K2O將是由作為批量材料中的痕量雜質(zhì)而存在的K2O產(chǎn)生的。
[0028]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的Li2O的量來表征。Li2O在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約2重量％。在一些實(shí)施方案中，Li2O的存在量可以是約0-約I重量％。在一些實(shí)施方案中Li2O的存在量可以小于約0.7重量％。
[0029]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的組合物可以通過總堿金屬氧化物(R2O)含量(即，Na2(HK2CHLi2O)來表征。R2O含量在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中可以是約0.1-約3重量％。在一些實(shí)施方案中，R2O含量可以小于約1.5重量％。在一些實(shí)施方案中R2O含量可以小于約I重量％。在一些實(shí)施方案中，該玻璃組合物中的Na2O含量可以小于K2O含量和/或Li2O含量。
[0030]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的B2O3的量來表征。B2O3在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約4重量％。在一些實(shí)施方案中，B2O3的存在量可以小于約1重量％。B2O3在一些實(shí)施方案中的存在量可以小于約0.5重量％。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物可以基本上不含B2O3，這意味著該玻璃組合物中存在的任何B2O3將是由作為批量材料中的痕量雜質(zhì)而存在的B2O3產(chǎn)生的。
[0031]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的Fe2O3的量來表征。Fe2O3在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約0.44重量％。在一些實(shí)施方案中，F(xiàn)e2O3的存在量可以是約0-約0.4重量％。 在一些實(shí)施方案中Fe2O3的存在量可以是約0.2-約0.3重量％。
[0032]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的F2的量來表征。F2在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約0.5重量％。在一些實(shí)施方案中，F(xiàn)2的存在量可以是約0-約0.1重量％。在一些實(shí)施方案中F2的存在量小于約0.1重量％。
[0033]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的TiO2的量來表征。TiO2在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約2重量％。在一些實(shí)施方案中，TiO2的存在量可以是約0-約I重量％。在一些實(shí)施方案中TiO2的存在量可以是約0.2-約0.75重量％。在一些實(shí)施方案中，TiO2的存在量可以小于約0.75重量％。
[0034]本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以通過該玻璃組合物中存在的ZrO2的量來表征。ZrO2在一些實(shí)施方案中的存在量可以是約0-約2重量％。在一些實(shí)施方案中，ZrO2的存在量可以是約0-約I重量％。在一些實(shí)施方案中ZrO2的存在量可以小于約0.01重量％。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物可以基本上不含ZrO2,這意味著該玻璃組合物中存在的任何ZrO2將是由作為批量材料中的痕量雜質(zhì)而存在的ZrO2產(chǎn)生的。
[0035]存在于一些實(shí)施方案中的本發(fā)明的一個有利的方面是依賴于纖維玻璃工業(yè)中常規(guī)的成分，并且避免大量的這樣的成分，它的原料來源是昂貴的。對于本發(fā)明的這個方面，可以包括除了在本發(fā)明的玻璃的組成定義中明確闡述的那些之外的成分，即使不需要也是如此，但是總量不大于5重量％。這些任選的成分包括熔融助劑、澄清助劑、著色劑、痕量雜質(zhì)和玻璃制造領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他添加劑。例如本發(fā)明的組合物不需要BaO，但是不排除包括少量的BaO (例如高到約I重量％)。同樣，本發(fā)明不需要大量的ZnO，但是在一些實(shí)施方案中可以包括少量(例如高到約2.0重量％)。在本發(fā)明的那些實(shí)施方案中，其中任選的成分是最小的，總的任選的成分不大于2重量％或者不大于I重量％?？蛇x擇的，本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以據(jù)稱基本上有所述成分組成。[0036]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種玻璃組合物，其包含55-67重量％的SiO2,
11-19 重量 ％ 的 Al2O3,11-18 重量 ％ 的 CaO，4.5-13 重量 ％ 的 MgO，0-2.5 重量 ％ 的 Na20,0-1重量％的K20,0-2重量％的Li20,0-1重量％的B2O3,0-0.44重量％的Fe2O3,0-0.1重量％的F2,0-1重量％的TiO2,0-1重量％的ZrO2和0_5重量％的其他成分。在一些另外的實(shí)施方案中，Na2O的量可以是0.09重量％或更低。在一些實(shí)施方案中，這樣的玻璃組合物可以基本上不含Na20。在一些另外的實(shí)施方案中，(MgO+CaO)含量可以大于約21.5重量％，在其他中大于21.7重量％和在其他中大于約22重量％。CaO與MgO之比或者CaO/MgO在一些實(shí)施方案中可以大于2.0和在其他中可以大于約2.1。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物可以基本上不含b2o3。
[0037]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種玻璃組合物，其包含58-62重量％的SiO2,14-17 重量 ％ 的 Al2O3,14-17.5 重量 ％ 的 CaO，6-9 重量 ％ 的 MgO，0-1 重量 ％ 的 Na20,0-0.2重量 ％ 的 K20,0-1 重量 ％ 的 Li20,0-0.5 重量 ％ 的 B2O3,0-0.44 重量 ％ 的 Fe2O3,0-0.1 重量 ％的F2,0-1重量％的TiO2,0-1重量％的ZrO2和0_5重量％的其他成分。在一些另外的實(shí)施方案，Na2O的量可以是0.09重量％或更低。在一些實(shí)施方案中，這樣的玻璃組合物可以基本上不含Na20。在一些另外的實(shí)施方案中，(MgO+CaO)含量可以大于約21.5重量％，在其他中大于21.7重量％和在其他中大于約22重量％。CaO與MgO之比或者CaO/MgO在一些實(shí)施方案中可以大于2.0和在其他中可以大于約2.1。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物可以基本上不含b2o3。
[0038]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種玻璃組合物，其包含58-62重量％的SiO2,
14-17重量 ％ 的 Al2O3,14-16 重量 ％ 的 CaO，6-9 重量 ％ 的 MgO，0-1 重量 ％ 的 Na20,0-0.2 重量 ％ 的 K20,0-1 重量 ％ 的 Li20,0-0.5 重量 ％ 的 B2O3,0-0.44 重量 ％ 的 Fe2O3,0-0.1 重量 ％ 的F2,0-1重量％的TiO2,0-1重量％的ZrO2和0_5重量％的其他成分。在一些另外的實(shí)施方案中，Na2O的量可以是0.09重量％或更低。在一些實(shí)施方案中，這樣的玻璃組合物可以基本上不含Na20。在一些另外的實(shí)施方案中，(MgO+CaO)含量可以大于約21.5重量％，在其他中大于21.7重量％和在其他中大于約22重量％。CaO與MgO之比或者CaO/MgO在一些實(shí)施方案中可以大于2.0，和在其他中可以大于約2.1。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物可以基本上不含B203。
[0039]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種玻璃組合物，其包含60-62重量％的SiO2,
14.5-16 重量 % 的 Al2O3,14.5-17.5 重量 % 的 CaO, 6-7.5 重量 % 的 MgO, 0.09 重量 % 或更低的 Na20,0-0.1 重量 ％ 的 K20,0-1 重量 ％ 的 Li20,0-0.1 重量 ％ 的 B2O3,0-0.44 重量 ％ 的 Fe2O3,0-0.1重量%的F2,0-0.75重量%的TiO2,0-0.1重量%的ZrO2和0-5重量%的其他成分。在一些另外的實(shí)施方案中，這樣的玻璃組合物可以基本上不含Na20。在一些另外的實(shí)施方案中，(MgO+CaO)含量可以大于約21.5重量％，在其他中大于21.7重量％和在其他中大于約22重量％。CaO與MgO之比或者CaO/MgO在一些實(shí)施方案中可以大于2.0，和在其他中可以大于約2.1。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物可以基本上不含B203。
[0040]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種玻璃組合物，其包含60-62重量％的SiO2,
15-16重量 % 的 Al2O3,14.5-16.5 重量 % 的 CaO, 6.5-7.5 重量 % 的 MgO, 0.09 重量 % 或更低的 Na20,0-0.1 重量 ％ 的 K20,0-1 重量 ％ 的 Li20,0-0.1 重量 ％ 的 B2O3,0-0.44 重量 ％ 的 Fe2O3,
0-0.1重量%的F2,0-0.75重量%的TiO2,0-0.1重量%的ZrO2和0-5重量%的其他成分。在一些另外的實(shí)施方案中，這樣的玻璃組合物可以基本上不含Na20。在一些另外的實(shí)施方案中，(MgO+CaO)含量可以大于約21.5重量％，在其他中大于21.7重量％和在其他中大于約22重量％。CaO與MgO之比或者CaO/MgO在一些實(shí)施方案中可以大于2.0和在其他中可以大于約2.1。在一些實(shí)施方案中，玻璃組合物可以基本上不含B203。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，玻璃組合物是能纖維化的。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度(Tf)小于約1300°C。作為此處使用的，術(shù)語“成型溫度”表示玻璃組合物的粘度是1000泊時的溫度(或者“l(fā)og3溫度”)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物在成型溫度是能纖維化的。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案的玻璃組合物的成型溫度是約1200°C -約1300°C。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度是約1240 0C -約 1280。。。
[0042]此外，在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的液相線溫度(IY)小于約1250°C。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，玻璃組合物的液相線溫度是約1200°C -約1240°C。
[0043]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的成型溫度和液相線溫度之差是約35°C -大于60°C。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明玻璃組合物的成型溫度和液相線溫度之差是至少50°C。
[0044]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明玻璃組合物在成型溫度的熔融密度是2.5g/cm2-2.1g/cm2。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃組合物的熔融密度是2.50g/cm2-2.65g/cm2。
[0045]作為這里提供的，玻璃纖維可以由本發(fā)明一些實(shí)施方案的玻璃組合物形成。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維可以表現(xiàn)出相對于由E-玻璃形成的玻璃纖維改進(jìn)的機(jī)械性能。例如在一些實(shí)施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的纖維的楊氏模量(E)可以大于約75GPa。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的楊氏模量可以大于約80GPa。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的楊氏模量可以大`于約85GPa。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的楊氏模量可以大于約87GPa。除非另有指示，否則這里討論的楊氏模量值是使用下面的實(shí)施例部分所述的程序來測定的。
[0046]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度可以大于3300MPa。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度可以大于約3600MPa。除非另有指示，否則抗拉強(qiáng)度值是使用實(shí)施例部分所述的程序來測定的。
[0047]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明玻璃纖維的比強(qiáng)度或者比模量會是重要的。比強(qiáng)度指的是抗拉強(qiáng)度(N/m2)除以比重(N/m3)。比模量指的是楊氏模量(N/m2)除以比重(N/m3)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的比強(qiáng)度可以大于13xl04m。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，玻璃纖維的比強(qiáng)度可以大于約14xl04m。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維的比模量可以大于約3.35xl06m。這些值相比于E-玻璃纖維得到了改進(jìn)，E玻璃纖維被理解為典型的比強(qiáng)度是11.8xl04m和比模量是3.1GxIO6ffl0
[0048]本發(fā)明市售的玻璃纖維可以以本領(lǐng)域公知的常規(guī)方式，通過將用于提供特定氧化物(其形成了纖維組合物)的原材料共混來制備。例如典型的沙子用于SiO2，粘土用于Al2O3,石灰或石灰石用于CaO,和白云石用于MgO和一些的CaO。
[0049]如上所述，該玻璃可以包括其他添加劑，其加入來幫助玻璃熔融和纖維牽拉過程，而不會對玻璃或者玻璃纖維機(jī)械性能或者比機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。該玻璃還可以包含少量雜質(zhì)，其來自于批量成分。例如硫酸鹽(以SO3來表達(dá))也可以作為精制劑存在。少量雜質(zhì)也可以來自于原材料或者來自于熔融方法過程中的污染而存在，例如Sr0、Ba0、Cl2、P205、Cr2O3或NiO(但不限于這些具體化學(xué)品形式)。其他精煉劑和/或加工助劑也可以存在例如As2O3、MnO、MnO2、Sb2O3或SnO2,(但不限于這些具體的化學(xué)品形式)。這些雜質(zhì)和精煉劑當(dāng)存在時每個典型的存在量小于總玻璃組合物的0.5重量％。任選的，來自元素周期表的稀土元素族的元素可以加入本發(fā)明的組合物中，包括原子數(shù)21 (Sc)、39(Y)和57 (La)-71 (Lu)。它們可以充當(dāng)加工助劑或者用于改進(jìn)玻璃的電學(xué)、物理(熱和光)、機(jī)械和化學(xué)性能。稀土元素添加劑可以以初始化學(xué)品形式和氧化態(tài)來包括。添加稀土元素被認(rèn)為是任選的，特別是在本發(fā)明的目標(biāo)是使得原材料成本最小化的那些實(shí)施方案中，因?yàn)樗鼈儗⒃黾优纬杀?，甚至在低濃度時也是如此。在任何情況中，它們的成本將典型的要求稀土元素組分(作為氧化物來度量)當(dāng)包括時，其存在量不大于總玻璃組合物的約0.1-3.0重量％。
[0050]根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施方案的玻璃纖維可以使用本領(lǐng)域已知的用于成形玻璃纖維的任何方法來制備，和更理想的，使用本領(lǐng)域已知的用于成形基本連續(xù)的玻璃纖維的任何方法來制備。例如雖然不限于此，但是根據(jù)本發(fā)明非限定性實(shí)施方案的玻璃纖維可以使用直接熔融或間接熔融纖維成形方法來形成。這些方法是本領(lǐng)域公知的，并且其進(jìn)一步的討論在本發(fā)明中不被認(rèn)為是必需的。參見例如K.L.Loewenstein, The ManufacturingTechnology of Continuous Glass Fibers,第 3 版，Elsevier,紐約 ，1993，第 47-48 和117-234 頁。
[0051]雖然不限于此，但是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案的玻璃纖維可以用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)應(yīng)用中。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的玻璃纖維可以用于增強(qiáng)聚合物，包括熱塑性和熱固性的。在一些實(shí)施方案中，由本發(fā)明的玻璃組合物形成的玻璃纖維可以用于增強(qiáng)應(yīng)用中。例如本發(fā)明的一些具有相對高的比強(qiáng)度或者相對高的比模量(特別是與E-玻璃纖維相比)的實(shí)施方案可以在這樣的應(yīng)用中是令人期望，這里期望的是提高機(jī)械性能或者產(chǎn)品性能，同時降低復(fù)合材料的整體重量。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方案的復(fù)合材料潛在應(yīng)用的一些例子包括但不限于風(fēng)能(例如風(fēng)車葉片)、彈道裝甲、航天或航空應(yīng)用(例如飛機(jī)的內(nèi)地板)和其他。例如在一些實(shí)施方案中，包含根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案的玻璃纖維的復(fù)合材料可以具有比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)E-玻璃增強(qiáng)的復(fù)合材料更高的模量，并且可以用于制造新一代風(fēng)輪機(jī)葉片和由機(jī)械性能驅(qū)動的其他應(yīng)用。
[0052]在不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種聚合物復(fù)合材料，其包含聚合物材料和由這里所述或者所公開的玻璃組合物形成的至少一種玻璃纖維。根據(jù)本發(fā)明不同的實(shí)施方案的聚合物復(fù)合材料可以通過用于制造聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域任何已知的方法來制造。例如在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明的聚合物復(fù)合材料可以如下來制造:用聚合物材料浸潰玻璃纖維的機(jī)織織物或者非機(jī)織織物或者墊子，然后固化該聚合物材料。在另一種實(shí)施方案中，包含本發(fā)明的玻璃組合物的連續(xù)的玻璃纖維和/或短切的玻璃纖維可以置于聚合物材料中。取決于聚合物材料的特性，該聚合物材料可以固化，隨后來接收連續(xù)的或者短切的玻璃纖維。
[0053]本發(fā)明將通過下面的一系列具體的實(shí)施方案來說明。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解許多其他實(shí)施方案是通過本發(fā)明的原理可以預(yù)期的。
[0054]實(shí)施例
[0055]實(shí)施例1-11
[0056]這些實(shí)施例中的玻璃是通過將粉末形式的試劑級化學(xué)品的混合物在1500°C -1550°C (2732 °F -2822 °F )溫度的10%Rh/Pt坩堝中熔融4小時來制造的。每個批次約1200g。在4小時熔融期之后，將熔融的玻璃傾倒到鋼板上用于猝滅。沒有調(diào)整批次料中的揮發(fā)性物質(zhì)例如氟化物和堿性氧化物來用于它們的散發(fā)損失，這歸因于它們在玻璃中的低濃度。實(shí)施例中的組合物代表了類批次組合物。將市售成分用于制備該玻璃。在批次計算中，考慮了具體的原材料保持因子，來計算每個玻璃中的氧化物。保持因子是基于所測量的玻璃中玻璃批次熔融的年份和氧化物產(chǎn)率。因此，本發(fā)明中所述的該類批次組合物被認(rèn)為接近于所測量的組合物。
[0057]表1
[0058 ]
【權(quán)利要求】
1.一種玻璃組合物，其包含:
58-62 重量 % 的 SiO2 ；
14-17 重量 ％ 的 Al2O3 ； 14-17.5重量％的CaO ;和 6-9重量%的MgO ； 其中Na2O的量是0.09重量％或更低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其中該玻璃組合物基本上不含B203。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其中該玻璃組合物基本上不含Na20。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其中(MgO+CaO)含量大于約21.5重量％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其中基于重量百分比的CaO/MgO比例大于約2.0。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物， 其進(jìn)一步包含0-1重量％的K2O和0-2重量％的 Li2O0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的玻璃組合物，其中(Na2CHK2CHLi2O)含量小于約I重量％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其中該玻璃組合物是能纖維化的，具有小于約1250°C的液相線溫度，和具有小于約1300°C的成型溫度，其中所述成型溫度和所述液相線溫度之差是至少50°C。
9.一種玻璃纖維,其由根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的玻璃纖維,其中該玻璃纖維的楊氏模量大于約80GPa。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的玻璃纖維,其中該玻璃纖維的楊氏模量大于約85GPa。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的玻璃纖維,其中該玻璃纖維的楊氏模量大于約87GPa。
13.—種玻璃組合物，其包含:
60-62 重量 ％ 的 SiO2 ；
14.5-16 重量 % 的 Al2O3 ；
14.5-17.5 重量 ％ 的 CaO ;和
6-7.5 重量 ％ 的 MgO ； 其中Na2O的量是0.09重量％或更低。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的玻璃組合物，其中該玻璃組合物基本上不含B203。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的玻璃組合物，其中該玻璃組合物基本上不含Na20。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的玻璃組合物，其中該(MgO+CaO)含量大于約21.5重量％。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的玻璃組合物，其中基于重量百分比的CaO/MgO比例大于約2.0。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的玻璃組合物，其進(jìn)一步包含0-1重量％的K2O和0-2重量％的Li2O,和其中(Na20+K20+Li20)含量小于約I重量％。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的玻璃組合物，其中該玻璃組合物是能纖維化的，具有小于約1250°C的液相線溫度，具有小于約1300°C成型溫度，和其中所述成型溫度和所述液相線溫度之差是至少50°C。
20.一種玻璃纖維，其由權(quán)利要求13所述的玻璃組合物形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的玻璃纖維,其中該玻璃纖維的楊氏模量大于約80GPa。
【文檔編號】C03C13/00GK103781736SQ201280043494
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月9日
【發(fā)明者】李洪 申請人:Ppg工業(yè)俄亥俄公司