玻璃组合物、玻璃纤维和形成方法及增强的复合制品技术

本发明专利技术涉及玻璃纤维领域。具体地，本发明专利技术涉及玻璃组合物、由玻璃组合物形成的玻璃纤维、形成连续玻璃纤维的方法以及增强的复合制品。本发明专利技术提供一种玻璃组合物，该组合物包含约57.0‑62.0重量％的SiO

【技术实现步骤摘要】
玻璃组合物、玻璃纤维和形成方法及增强的复合制品
本专利技术涉及玻璃纤维领域。具体地，本专利技术涉及玻璃组合物、由玻璃组合物形成的玻璃纤维、形成连续玻璃纤维的方法以及增强的复合制品。
技术介绍
玻璃纤维由各种原材料以特定比例组合以产生所需组成来制造，通常称为"玻璃配合料"。该玻璃配合料可在熔融设备中熔融，熔融玻璃通过漏板(bushing)或孔板被拉成细丝(所得细丝也称为连续玻璃纤维)。然后可以将含有润滑剂、偶联剂和成膜粘合剂树脂的施胶组合物施加到长丝上。在施加施胶之后，纤维可聚集成一个或多个丝束并缠绕成包，或者，纤维可在润湿时被切断并收集。然后可干燥并固化收集的短切原丝，形成干燥的短切纤维，或者可在其润湿条件下将它们作为润湿的短切纤维包装。玻璃配合料的组成以及由其制造的玻璃纤维通常以其中所含的氧化物表示，这些氧化物通常包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、TiO2、Li2O等。通过改变这些氧化物的量，或消除玻璃配合料中的一些氧化物，可以生产多种类型的玻璃。可以生产的这样的玻璃的实例包括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质。玻璃组合物的其他特性包括原料成本和环境影响。例如，E玻璃为铝硼硅酸盐玻璃，通常不含碱，并且通常用于电气应用。E玻璃的一个优点是其液相线温度允许生产玻璃纤维的操作温度为约1900°F至2400°F(1038℃至1316℃)。用于印刷电路板和航空航天应用的E玻璃纤维纱的ASTM分类定义了组成为52重量％至56重量％的SiO2、16重量％至25重量％的CaO、12重量％至16重量％的Al2O3、5重量％至10重量％的B2O3、0重量％至5重量％的MgO、0重量％至2重量％的Na2O和K2O、0重量％至0.8重量％的TiO2、0.05重量％至0.4重量％的Fe2O3和0重量％至1.0重量％氟。无硼纤维以商标(OwensCorning，Toledo，Ohio，USA)出售。例如在美国专利5,789,329中公开的无硼纤维比含硼E玻璃的操作温度表现出显著的改进，在此通过引用将其全部并入。无硼玻璃纤维符合用于通用应用的E玻璃纤维的ASTM定义。R玻璃为一类主要由硅、铝、镁和钙的氧化物组成的玻璃，其化学组成产生具有比E玻璃纤维更高机械强度的玻璃纤维。R玻璃的组成含有约58重量％至约60重量％的SiO2、约23.5重量％至约25.5重量％的Al2O3、约14重量％至约17重量％的CaO加MgO，以及小于约2重量％的混杂组分。R玻璃含有比E玻璃更多的氧化铝和二氧化硅，并且在成纤期间需要更高的熔融温度和加工温度。通常，R玻璃的熔融温度和加工温度高于E玻璃的熔融温度和加工温度。这种处理温度的增加需要使用高成本的铂衬里熔炉。此外，R玻璃中液相线温度与成形温度的紧密接近要求玻璃在低于E玻璃的粘度下纤维化，E玻璃通常在或接近约1000泊下纤维化。在通常的1000泊粘度下纤维化R玻璃将可能导致玻璃失透，这导致过程中断和生产率降低。与传统的E玻璃纤维相比，高性能玻璃纤维具有更高的强度和刚度。特别地，对于一些产品，刚度对于建模和性能是至关重要的。例如，由具有良好刚度特性的玻璃纤维制备的复合材料(例如风力涡轮机叶片)将允许在发电风站上使用更长的风力叶片，同时将叶片的挠曲保持在可接受的限度内。弹性模量(可与"杨氏模量"互换)是纤维刚度的量度，其定义了施加到材料的应力与由相同材料产生的应变之间的关系。刚性材料具有高弹性模量，并且在弹性载荷下仅轻微地改变其形状。柔性材料具有低弹性模量并且其形状显著改变。尽管已经开发了各种类型的高性能玻璃组合物，但是这种玻璃组合物通常试图使弹性模量和拉伸强度最大化。然而，当玻璃纤维的弹性模量增加超过一定程度(即，高于92GPa)时，复合风力叶片模具可变长，这需要制造新的模具。实现与当前复合模具相容的适度弹性模量将是有益的并且是成本有效的，同时保持低纤维化温度。小于约1300℃的纤维化温度允许使用大多数当前技术水平的材料和技术来制造玻璃纤维，因此使得能够与已经建立的制造资源相容。此外，与已经制备的其他玻璃组合物类似的纤维化温度允许运行快速周期，其中炉从制备一种玻璃切换到另一种玻璃而不必改变成形技术。从能量使用角度以及从铂挥发角度来看，较低的纤维化温度是较好的。在较高的温度下，铂挥发得更快，并且成形技术的寿命缩短。风力涡轮机叶片制造商在生产用于形成风力叶片的模具方面进行了大量投资。另外，风力叶片变得如此之大，以至于整个工厂都围绕制造特定尺寸的叶片建造。尽管目标通常是保持增加玻璃纤维的模量以能够制造更长的叶片，但是还希望尽可能最佳地使用已经存在的模具和设备。为此，玻璃纤维必须提供在性能窗口内的性能。如果玻璃在模量方面表现得太好，则原则上(ethically)需要制造新的模具以利用更高的性能。这些纤维也允许对这些相同模具中的制造缺陷具有更大的容许度。因此，期望在不引起风力叶片尺寸的必要增加的情况下优化性能。本领域需要具有可接受的成形性能的高性能玻璃组合物，例如具有足够低的纤维化温度，同时提供适度但不太高的弹性模量，例如90GPa至92GPa。
技术实现思路
本专利技术构思的各种示例性实施方式涉及一种玻璃组合物，该组合物包含57.0重量％至62.0重量％的SiO2；20.0重量％至25.0重量％的Al2O3；7.0重量％至9.0重量％的CaO；8.0重量％至12.5重量％的MgO；0重量％至1.0重量％的Na2O；0重量％至0.5重量％的K2O；0.4重量％至1.0重量％的Li2O；以及0.2重量％至1.5重量％的TiO2，基于整个组合物的重量，以重量百分数表示。(MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO)的重量百分数比值(R1)为至少0.47，并且(MgO/SiO2)的重量百分数比值(R3)为至少0.19。该玻璃组合物的纤维化温度不大于1300℃。在各种实施方式的任一个中，SiO2、Al2O3、MgO和CaO的总量可为至少98重量％且小于99.5重量％。在各种实施方式的任一个中，所述组合物包含58.0重量％至小于59重量％的SiO2。在各种实施方式的任一个中，所述组合物包含7.9重量％至小于9.0重量％的CaO。在各种实施方式的任一个中，所述组合物包含大于20重量％至21重量％的Al2O3。在各种实施方式的任一个中，所述组合物包含0.5重量％至0.8重量％的Li2O。在各种实施方式的任一个中，所述玻璃组合物不含稀土氧化物。在各种实施方式的任一个中，所述组合物基本上不含B2O3。在各种实施方式的任一个中，所述组合物包含0.1重量％至0.8重量％的Na2O。在各种实施方式的任一个中，所述组合物中(MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O)的重量百分数比值(R2)大于0.46。本专利技术构思的其他示例性方面涉及一种玻璃组合物，该组合物包含58.0重量％至62.0重量％的SiO2；20.0重量％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种玻璃组合物，其特征在于，该玻璃组合物包含：/n57.0-62.0重量％的SiO

【技术特征摘要】
20200102 US 62/956,4221.一种玻璃组合物，其特征在于，该玻璃组合物包含：
57.0-62.0重量％的SiO2；
20.0-25.0重量％的Al2O3；
7.0-9.0重量％的CaO；
8.0-12.5重量％的MgO；
0-1.0重量％的Na2O；
0-0.5重量％的K2O；
0.4-1.0重量％的Li2O；以及
0.2-1.5重量％的TiO2，
其中，(MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO)的重量百分数比值(R1)为至少0.47，(MgO/SiO2)的重量百分数比值(R3)为至少0.19，并且，其中，所述玻璃组合物的纤维化温度不大于1300℃。


2.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含58.0重量％至小于59重量％的SiO2。


3.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含7.9重量％至小于9.0重量％的CaO。


4.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，SiO2、Al2O3、MgO和CaO的总量为至少98重量％且小于99.5重量％。


5.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物不含稀土氧化物。


6.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含大于20重量％至21重量％的Al2O3。


7.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含0.5重量％至0.8重量％的Li2O。


8.根据权利要求1-6中任一项所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物基本上不含B2O3。


9.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含0.1重量％至0.8重量％的Na2O。


10.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物中(MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O)的重量百分数比值(R2)大于0.46。


11.一种玻璃组合物，其特征在于，该玻璃组合物包含：
大于58.0重量％至62.0重量％的SiO2；
20.0重量％至25.0重量％的Al2O3；
7.9重量％至12.0重量％的CaO；
8.0重量％至12.5重量％的MgO；
0重量％至1.0重量％的Na2O；
0重量％至0.5重量％的K2O；
0.4重量％至1.0重量％的Li2O；以及
0.2重量％至1.5重量％的TiO2，
其中，(MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O)的重量百分数比值(R2)大于0.46，(MgO/SiO2)的重量百分数比值(R3)为至少0.19，并且，其中，所述玻璃组合物的纤维化温度不大于1300℃。


12.根据权利要求11所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含58.0重量％至小于59重量％的SiO2。


13.根据权利要求11所述的玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物包含7.9重量％至小于9.0重量％的CaO。


14.根据权利要求11所述的玻璃组合物，其中，SiO2、Al2O3、MgO和CaO的总量为至少98重量％且小于99.5重量％。

【专利技术属性】
技术研发人员：M·L·科尔文爱迪生，
申请(专利权)人：OCV智识资本有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US