用于制造纖維的玻璃組合物及方法
【專利說明】用于制造纖維的玻璃組合物及方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年10月18日提交的名稱為GLASSCOMPOSTIONFORT肥 MANUFACTURINGOFFI邸RSANDPROCESS的美國臨時申請序號61/715, 494的優先權，通過 引用將其W其全文并入本文。
【背景技術】
[0003] 由W特定比例結合用W產生所需的化學組成的各種原料制造用于復合材料應用 的玻璃纖維。通常將該種比例稱為"玻璃配料"。該玻璃配料W及由其制造的玻璃的組成通 常W組分的百分數形式表達，所述組分W氧化物形式表達。Si化、Al2〇3、CaO、MgO、B2〇3、Na2〇、 馬0、化203、W及少量的其它氧化物是玻璃配料的常用組分。可W通過改變玻璃配料中該些 氧化物的量或省略該些氧化物中的一些來生產多種類型的玻璃。可W生產的該樣的玻璃的 實例包括E-玻璃、S-玻璃、R-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、W及ECR-玻璃。該玻璃組成確定玻 璃的性質，包括性質例如玻璃的粘度、液相線溫度、耐久性、密度、強度、W及楊氏模量。對于 商業玻璃組合物的非物理考慮包括原料成本和由制造玻璃引起的環境影響。
[0004] E-玻璃組合物為用于制作在紡織品和增強應用中使用的連續玻璃纖維束的最常 用的玻璃組合物。E-玻璃的一個優點是其液相線溫度低于其形成溫度約200 了，通常將其 形成溫度定義為在玻璃粘度等于1000泊時的溫度。E-玻璃具有寬范圍的形成溫度和低的 脫玻化速率。歷史上，商業E-玻璃組合物具有在2150了和2350 了之間的形成溫度W及低 于該形成溫度從約100 了至250 了的液相線值。
[0005] 用于制作連續玻璃纖維束的最常用的高強度玻璃組合物是"S-玻璃"。S-玻 璃為主要由儀、侶和娃的氧化物組成的玻璃族，其具有的化學組成產生的玻璃纖維 具有比E-玻璃纖維更高的機械強度。S-玻璃通常具有最初將其設計為在高強度 應用（例如防彈裝甲）中使用的組成。S-玻璃的一些實例包括OwensCorning的 XS化and⑩S、FliteS化and⑩S、w及Shields化and⑩S,具有約88GPa的楊 氏模量。另一個實例是AGY的S-2Glass⑩，.其是一種S-玻璃，可具有約89. 6GPa(13MPSI) 的楊氏模量。
[0006] 由于它們的高形成溫度W及由于其它的工藝限制，許多具有高機械強度的玻璃的 生產可為非常昂貴的。另外，許多具有高機械強度的玻璃可能不可溶解于生物流體中。在 生物流體中缺乏可溶性可限制了形成對于用戶是可接受的產品。因此，本領域保持著對改 進的玻璃組合物W及制作該樣的玻璃的方法的需求，該玻璃提供高機械強度，具有在生物 流體中為可溶的優點。
【發明內容】
[0007] 在本發明的一些實施方案中，提供了可W形成用于復合材料的纖維的高模量 玻璃組合物。在一些實施方案中，本發明的組合物基于共晶組成；48wt%Si化、35wt% Al2〇3和17wt%MgO。在其它實施方案中，本組合物包括：約40-60wt%Si〇2;15-50wt%Al2〇3;〇-30wt%MgO;0-25wt%CaO;0-5wt%Li2〇 ;〇-9wt%B2O3和 0-5wt%Na2〇。在 一些示例性的實施方案中，由該組合物形成的纖維具有大于約82. 7GPa(12MPSI)、或約 89. 6GPa(13MPSI)、或約96. 5GPa(14MPSI)的楊氏模量。在其它示例性的實施方案中，由該 組合物形成的纖維具有大于l〇3.4GPa(15MPSI)的楊氏模量。
[000引在又一些示例性的實施方案中，由該組合物形成的纖維還是生物可溶的。生物可 溶性是材料溶解在生物流體中的速度的量度。例如，該纖維可W具有大于約lOOng/cmV小 時的纖維生物可溶性。在其它實例中，控制該組合物的化學組成W提供大于約200ng/cmV 小時或甚至大于約30化g/cmV小時的纖維生物可溶性是可能的。
[0009] 仍然在本發明的其它實施方案中，提供了形成具有高模量的纖維的方法。該方法 可W包括例如使用傳統的礦物棉方法由本發明的組合物形成纖維。該方法還可W包括使用 傳統的玻璃纖維形成方法。
【具體實施方式】
[0010] 現在將不時參考本發明的特定實施方案描述本發明。然而，本發明可不同的 形式實施，并且不應該解釋為受限于在此列出的實施方案。當然，提供該些實施方案W便本 公開內容將是詳盡和完整的，并且將向所屬領域的技術人員完整表達出本發明的范圍。
[0011] 在此所使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬的領域的普通技術人員通 常理解的相同含義，除非另外定義。在本發明的說明書中使用的術語在此僅僅用于描述特 別的實施方案，并不旨在限制本發明。如在本發明的說明書和所附的權利要求書中使用的， 單數形式"一個（a)"、" 一個（an)"和"該（the)"還打算包括復數形式，除非上下文W其它 方式明確指出。
[0012] 在說明書和權利要求書中使用的表示成分的數量、性質（例如分子量）、反應條件 等等的所有數值應理解為通過術語"約"在一切情況下進行修正，除非另有說明。因此，在 說明書和權利要求書中列出的數值性質是近似值，其可W根據尋求在本發明的實施方案中 獲得的的所需性質而變化，除非另有說明。盡管列出本發明的寬范圍的數值范圍和參數是 近似值，列在特定實施例中的數值報道為盡可能精確的。然而，任何數值固有地包含某些誤 差，所述誤差必然由在其各自的測量中發現的誤差引起。
[0013] 根據本發明的示例性實施方案，提供了對于形成纖維有用的玻璃配料組合物。另 夕F，還提供了由該玻璃配料組合物形成的纖維。使用本發明的組合物形成的纖維可W具有 顯著高于S-玻璃纖維例如XS化and⑩S、FliteS化and⑩S、和Shields化and⑩S W及S-2Glass⑩I的模量。使用本發明的組合物形成的纖維還可W具有高強度。
[0014] 另外，如將在此進一步討論的，可W使用本發明的玻璃配料組合物生產具有高模 量的纖維，而不使用傳統的可采用銷/錠合金的烙爐。在其它實施方案中，如將在此進一步 討論的，可W在傳統的烙爐中形成本發明的玻璃配料組合物。
[0015] 根據本發明的示例性的實施方案，本發明的組合物可W基于共晶組成；48wt% Si化、35wt%AI2O3和17wt%MgO。例如，在一些示例性的實施方案中，本發明的玻璃配料 組合物包括約 40-60wt%Si〇2;15-50wt%A12〇3;〇-3〇wt%MgO;0-25wt%CaO;0-5wt% Li2〇 ;0-9wt%B2O3W及〇-5wt%化2〇。在其它示例性的實施方案中，該玻璃組合物包括約 45-55wt%Si〇2;2〇-45wt%A12〇3;5-25wt%MgO;3-25wt%CaO;0-5wt%Li2〇 ;〇-5wt%B203 W及〇-5wt%化2〇。在另外的示例性的實施方案中，該玻璃組合物包括約45-55wt%Si〇2; 20-35wt%Al2〇3;l〇-20wt%MgO;5-25wt%CaO;0-5wt%Li2〇 ;〇-5wt%B2O3;W及 〇-5wt% NagOo
[0016] 可W添加其它成分W改進所得的纖維的性質和/或改進該玻璃的加工或生物可 溶性。例如，該組合物可W包括約5.0重量％或更少的額外化合物，例如氧化物。可W包括 在該組合物中的示例性的氧化物包括作為有意的添加劑或雜質的馬0、P2〇e、ZnO、Zr〇2、SrO、 BaO、SO3、F2、Ce2〇3、BeO、Se〇2、Y2O3、La2〇3、Ti〇2和化2〇3及其組合，每種W至多 5. 0 重量 ％存 在。
[0017] 另外，例如可W向該配料組合物添加組分W便于加工，隨后將所述組分除去，由此 形成了基本上不含該樣的組分的玻璃組合物。因此，例如極少量的組分例如"流動（tramp)" 氧化物，可痕量雜質存在于在本發明的商業實踐中提供氧化娃、氧化巧、氧化侶和氧化 儀組分的原料中，或者其可W是在制造過程中基本上被除去的加工助劑。在一些示例性的 實施方案中，該樣的流動氧化物W小于約5.0重量％或小于約1.0重量％存在。
[001引在一些實施方案中，由在此描述的組合物形成的纖維具有大于約 82. 7GPa(12MPSI)的楊氏模量。在其它實施方案中，由在此描述的組合物形成的纖維可W具 有大于約89.6GPa(13MPSI)的楊氏模量。仍然在其它實例中，由該組合物形成的纖維可W 具有大于約96. 5GPa(14MPSI)、W及甚至大于103. 4GPa(15. 0MPSI)的楊氏模量。
[0019] 在某些示例性的實施方案中，如通過生物可溶性指標化dJ所測量的，由該配料組 合物形成的玻璃纖維可W是生物可溶的。可W使用用于高氧化侶纖維的公開模型評估該生 物可溶性。在http://f iberscience. owenscorninR. com/kdisapD. html上Pj>在線計算