[发明专利]生产高强度和高模量纤维的玻璃组合物

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求美国临时申请序列号61/394,177的优先权和所有其他权益。

技术领域和工业实用性

本发明一般地涉及玻璃组合物，和更特别地涉及拥有可接受的成形性能且其组分在耐火熔化器内熔融的高性能玻璃组合物。由本发明的组合物形成的玻璃纤维拥有改进的模量和低密度，且可用于增强其中期望高强度，刚度(stiffness)和轻质的复合基体。

发明背景

由以得到所需的化学组合物的特定比例结合的各种初级原料制造玻璃纤维。这一材料的统称常常称为“玻璃配料(glass batch)”。为了形成玻璃纤维，典型地在熔化器或熔融装置内熔融玻璃配料，通过套管(bushing)或孔板(orifice plate)，将熔融玻璃拉伸成长丝(所得长丝也称为连续玻璃纤维)，和施加含润滑剂，偶联剂和成膜粘合剂树脂的施胶组合物到长丝上，在施加施胶剂之后，可将纤维聚集成一个或更多个绳股(strand)并在包装内缠绕，或者替代地可在湿的同时短切纤维并收集。然后可干燥所收集的短切绳股，并固化，形成干燥的短切纤维，或者可在湿的条件下以湿的短切纤维形式包装它们。

玻璃配料的组合物和由它制造的玻璃通常以各组分的百分数形式表达且主要以氧化物形式表达。SiO₂，Al₂O₃,CaO,MgO,B₂O₃,Na₂O，K₂O,Fe₂O₃,和微量的其他化合物，例如TiO₂,Li₂O，BaO,SrO,ZnO,ZrO₂,P₂O₅,氟和SO₃是玻璃配料中的常见组分。可由改变这些氧化物的用量，或者在玻璃配料内省去一些此类氧化物，生产许多类型的玻璃。可生产的这种玻璃的实例包括R-玻璃，E-玻璃，S-玻璃，A-玻璃，C-玻璃，和ECR-玻璃。玻璃组合物控制玻璃的成形和产品性能。玻璃组合物的其他特征包括初级原料成本和环境影响。

存在成形性能的独特组合，所述成形性能允许玻璃在常规的耐火罐和玻璃分布体系内熔融并分布。首先，玻璃保持在其下的温度必须足够低，以便它没有激进地腐蚀(aggressively attack)耐火材料。可例如通过超过耐火材料的最大使用温度，或者通过增加玻璃腐蚀和侵蚀耐火材料到无法接受的高程度时的速度，发生对耐火材料的腐蚀。当通过降低玻璃粘度，使得玻璃更加成流体时，耐火材料的腐蚀速度强烈地增加。因此，为了在耐火罐内熔融玻璃，耐火材料的温度必须保持低于一定温度，和玻璃粘度(例如，抗流动性)必须维持高于一定数值。在熔融单元内以及在整个分布和纤维化工艺当中，玻璃的温度也必须足够高，以防止玻璃结晶(即它必须保持高于液相温度的温度)。

在成纤器中，常见的是要求纤维化所选温度(即，成形温度)和玻璃的液相温度之间的温差最小。这一温差ΔΤ是可在没有产生被反玻璃化(devitrification)晶体引起的断点隔开的纤维的情况下，如何容易地形成连续纤维的量度。因此，期望具有尽可能大的ΔΤ，以实现连续和不受干扰的玻璃纤维形成。

在探索具有较高最终性能的玻璃纤维中，有时牺牲ΔΤ，以实现所需的最终性能。这一牺牲的结果是要求在铂或铂-合金为衬里的炉内熔融玻璃，这或者因为该温度超过常规耐火材料的最大最终使用温度或者因为玻璃的粘度使得玻璃体的温度不可能保持高于液相温度，同时产生足够高的玻璃粘度，以保持耐火材料的腐蚀在可接受的水平下。S2-玻璃是其中这两种现象均发生的一个实例。S2-玻璃的熔融温度相对于普通的耐火材料来说太高，和ΔΤ非常小(或为负)，从而在比液相温度高的玻璃温度下，引起玻璃非常容易流动，且对常规耐火材料的腐蚀大。常规的R-玻璃也具有非常小的ΔΤ，因此在铂或铂-合金为衬里的熔化器内熔融。

因此，本领域需要高性能的玻璃组合物，它保留有利的机械和物理性能(例如，比模量和拉伸强度)和成形性能(例如，液相温度和成形温度)，其中成形温度足够低，且成形与液相温度之差足够大，使得玻璃组合物中的各组分能在常规的耐火罐内熔融。

发明内容