高性能玻璃組合物、高性能玻璃纖維及其制品的制作方法
【技術領域】
[0002] 本發明設及一種用于連續玻璃纖維的組合物，該纖維用于高強度方面的應用，本 發明還設及高強度玻璃纖維和制品。
【背景技術】
[0003] 用于制造連續玻璃纖維原絲（glass fiber strands)的最常用玻璃組合物為 "E-玻璃"(E-Glass)。E-玻璃的液相線溫度約為2100了（1149°C)或者更低，E-玻璃的一 個優點在于它的液相線溫度允許生產玻璃纖維的操作溫度為約1900了至2400了（l〇38°C 至1316°C)。對于在印刷電路板和航空應用中使用的E-玻璃纖維紗，美國材料實驗協會 (ASTM)分類中定義該組合物為：52至56wt% Si〇2、16至26wt% Ca0、12至16wt% Al2〇3、5 至IOwt%B203、0至5wt%Mg0、0至 %胞2〇和K2CKO至0.8wt % Ti〇2、0. 05至0. 4wt % 化2〇3和0至1.0 wt%氣。
[0004] 無棚纖維W商標ADVANTEX(OwensCorning,Toledo,Ohio,USA)出售。無棚纖維， 如同在此整體引用的美國專利No. 5, 789, 329所公開的，其在操作溫度上提供了一個超過 了含棚的E-玻璃的顯著進步。無棚玻璃纖維被歸入ASTM定義的普遍使用的E-玻璃纖維 中。 陽0化]S-玻璃為一族主要由儀、侶和娃的氧化物組成的玻璃，采用其化學成分生產的玻 璃纖維具有比E-玻璃纖維更高的機械強度。用于形成S-玻璃的組合物包含大約65wt% Si〇2、25wt%AI2O3和10wt%Mg0。S-玻璃的成分最初被設計為在高強度的應用中使用，如： 防彈裝甲。
[0006] R-玻璃為一族主要由娃、侶、儀和巧的氧化物組成的玻璃，采用其化學成分生產的 玻璃纖維具有比E-玻璃纖維更高的機械強度。R玻璃的組合物包含約58至約60wt% Si〇2、約23. 5至約25. 5wt% AI2O3、約14至約17wt%CaO加Mg0、0% B203、0% F2和約少于2wt% 的雜質組分。R-玻璃包含比E-玻璃更多的氧化侶和氧化娃，在纖維形成過程中需要更高的 烙化和處理溫度。典型地，R-玻璃的烙化和處理溫度至少高于E-玻璃的相應溫度160°C。 處理溫度的升高需要使用昂貴的銷襯里烙爐。除此之外，由于R-玻璃的液相線溫度與成 型溫度非常接近，因此，要求R-玻璃要在比E-玻璃更低的粘度下纖維化，通常在或者接近 1000泊（poise)下纖維化。通常在1000泊粘度下纖維化R-玻璃將可能會導致玻璃失透， 從而導致工藝中斷和生產效率降低。 陽007] 表IA-IE列出了一些常規高強度玻璃組合物的成分。
[0008]表I-A
[0009]
[0018] R-玻璃和S-玻璃是通過在具有銷襯的烙化容器中烙化組合物的組分而生產的。 由于在運樣的烙化器中生產纖維的成本導致形成R-玻璃和S-玻璃纖維的成本明顯高于 E-玻璃纖維。因而，在本領域需要一種玻璃組合物化及由該組合物制造的纖維，該玻璃組合 物有利于在具有耐火材料襯里的爐中由直接烙化工藝形成高性能玻璃纖維。
【發明內容】
[0019] 本發明，部分地為一種玻璃組合物，該玻璃組合物用于制造適合于高強度應用的 連續玻璃纖維。本發明的組合物可W在具有耐火材料襯里的爐內使用低成本的、直接烙 化法廉價地制成玻璃纖維，由于該玻璃纖維具有相對低的纖維化溫度。一旦制成纖維，該 玻璃組合物即提供了高價玻璃纖維如S-玻璃的強度特性，本發明的組合物包含：約60. 5 至約 70. 5wt%Si〇2、約 10. 0 至約 24. 5wt%AI2O3、約6. 0 至約 20.Owt%R0,其中RO等于 MgO,CaO,SrO和BaO之和、和約0. 0至約3.Owt%的堿金屬氧化物。在一個優選的實施方案 中，該玻璃組合物包含約61至約68wt%Si〇2、約15至約19wt%AI2O3、約15至約20wt% R0,其中RO等于MgO,化0,SrO和BaO之和、和約0至約3wt%堿金屬氧化物。優選地，該組 合物不包含大于約4wt%的選自ZnO、S化、氣、Bz化、Ti化、ZrOz和Fe2化的氧化物或面素。本 發明玻璃組合物的期望性能包括，纖維化溫度低于約2650°FW及液相線溫度優選低于纖 維化溫度至少約80了，更優選低于纖維化溫度至少約120了，最優選低于纖維化溫度至少 約 150 °F。
【具體實施方式】
[0020] 本發明的玻璃組合物的纖維化性能包括，纖維化溫度，液相線，和delta-T。纖維化 溫度定義為對應于粘度約1000泊（Poise)的溫度。如下詳述，降低的纖維化溫度減少了纖 維的生產成本，延長了相蝸（bushing)壽命，增加了生產量，允許玻璃在具有耐火材料襯里 的烙爐中進行烙化，同時減少了能源的使用。例如，在較低的纖維化溫度，相蝸在一個較冷 的溫度下運行而不會很快的"塌陷（sag)"。塌陷是長時間保持高溫的相蝸中發生的一種現 象。通過降低纖維化溫度，可W降低相蝸的塌陷率同時延長相蝸壽命。除此之外，因為在給 定的時間和給定的輸入能量下，更多的玻璃可W被烙化，所W較低的纖維化溫度可W使生 產量更高。運樣的結果就是，降低了生產成本。除此之外，較低的纖維化溫度也將允許用本 發明的組合物形成的玻璃在具有耐火材料襯里的烙爐中烙化，因為，它的烙化和纖維化溫 度都低于上述許多商業上可獲得的耐火材料的使用溫度。
[0021] 液相線定義為液相玻璃和它的基本晶體相之間存在平衡的最高溫度。在液相線之 上的所有溫度，玻璃在它的基本相中沒有晶體存在。在低于液相線溫度時，可能形成晶體。
[0022] 另一種纖維化性能為Delta-T(AT),定義為纖維化溫度和液相線溫度之差。較 大的AT在玻璃纖維的形成過程中提供了更大的柔初性，并在烙化和纖維化過程中有助于 阻止玻璃失透（即，烙體中晶體的形成）。通過更長的相蝸壽命和給形成纖維提供更寬的工 藝窗口，增加的AT也降低了玻璃纖維的生產成本。
[0023] 本發明的玻璃適合于在具有耐火材料襯的玻璃烙爐中烙化，該烙化爐在傳統商業 上可獲得并且廣泛用于玻璃強化纖維的制造。典型地，初始配合料成分包括：Si〇2(磨碎 娃砂），和Alz化（般燒氧化侶），還包括鏈改性劑（chainmodifiers)，其選自源材料，如： MgC〇3 (菱儀礦）、CaC〇3 (石灰石）、SrC〇3 (菱鎖礦）、BaC〇3 (碳酸領礦）、ZrSi〇4 (錯石）和 NazCOs(泡堿）。
[0024] 該玻璃配合料優選包含約60. 5至約70. 5wt%Si化、約10. 0至約24. 5wt%Alz化、 約6. 0至20.Owt%R0,其中RO等于Mg化CaO與SrO之和、和約0. 0至約3.Owt%堿金屬氧化 物。典型地，本發明制成的纖維包括少量的化〇、S〇3、氣、B2〇3、Ti〇2和Fe2〇3,優選在4wt%W 下的量。除此之外，本發明制成的纖維優選具有低于約2650T的纖維化溫度，至少約80T 的AT，優選至少約120 了的AT，最優選至少約150 了的AT，和約2. 28x10 6in/in/ 了至 約2. 77x10 6in/in/ 了的熱膨脹系數（CTE)。進一步，本發明的玻璃優選具有超過600KPSI 的強度，優選具有超過約630KPSI的強度，并最優選具有超過約695KPSI的強度。進一步， 期望該玻璃纖維的模量（mo化Ius)大于約12.OMPSI，優選大于約12. 18MPSI，最優選大于約 12. 6MPSI。應當理解為，由于運些內容在本技術領域是常規且眾所周知的，所W本申請并未 提供一些結構的詳細描述。
[0025] 本發明還包括一種復合材料，該復合材料包括上述結合了硬質基體材料的玻璃纖 維。該復合材料尤其適于在要求高強度、剛度W及低重量的應用中使用。該應用包括飛機、 汽車和風能（如風車