КОМПОЗИЦИИ СТЕКЛА И ВОЛОКНА, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ НИХ Российский патент 2018 года по МПК C03C13/00 C03C3/85 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

По этой заявке испрашивается приоритет по отношению к временной патентной заявке США с серийным номером 61/532840, поданной 9 сентября 2011 г., и к временной патентной заявке США с серийным номером 61/534041, поданной 13 сентября 2011 г., содержание которых во всей своей полноте является, таким образом, включенным в настоящее описание путем ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к композициям стекла и, в частности, к композициям стекла для формования волокон.

Описание предшествующего уровня техники

Стеклянные волокна в течение многих лет использовали для усиления различных полимерных смол. Некоторые обычно используемые композиции стекла для использования в применениях для усиления включают семейства композиций “Е-стекла” и “D-стекла”. Другая обычно используемая композиция стекла является доступной на рынке от AGY (Айкен, Южная Каролина) под торговым наименованием “стекло S-2”.

В усилении и других применениях определенные механические свойства стекловолокон или композитов, усиленных стекловолокнами, могут являться важными. Однако, во многих случаях производство стекловолокон, обладающих улучшенными механическими свойствами (например, большей прочностью, большим модулем и т.д.) может приводить к большим затратам, например, из-за увеличенных затрат на сырьевые материалы, увеличенных производственных затрат или других факторов. Например, вышеуказанное “стекло S-2” обладает улучшенными механическими свойствами по сравнению с обычным Е-стеклом, но и стоит значительно больше, в результате значительно более высоких потребностей в температуре и энергии для превращения сырья в стекло, рафинирования расплава и вытягивания волокон. Производители стекловолокон продолжают искать композиции стекла, которые можно использовать для формования стекловолокон, имеющих желаемые механические свойства в рыночных условиях производства.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Различные варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к композициям стекла, стекловолокнам, формованным из таких композиций стекла и к различным продуктам, содержащим одно или более стекловолокон.

В одном примерном варианте осуществления композиция стекла включает в себя 58-62% масс. SiO₂, 14-17% масс. Al₂O₃, 14-17,5% масс. СаО и 6-9% масс. MgO, где количество Na₂O составляет 0,009% масс. или менее. Композиция стекла в другом примерном варианте осуществления включает в себя 58-62% масс. SiO₂, 14-17% масс. Al₂O₃, 14-16% масс. СаО, 6-9% масс. MgO, 0-1% масс. Na₂O, 0-0,2% масс. К₂О, 0-1% масс. Li₂O, 0-0,5% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-1% масс. TiO₂, 0-1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих. Композиция стекла в другом примерном варианте осуществления включает в себя 60-62% масс. SiO₂, 14,5-16% масс. Al₂O₃, 14,5-17,5% масс. СаО, 6,0-7,5% масс. MgO, где количество Na₂O составляет 0,09% масс. или менее. Композиция стекла в другом примерном варианте осуществления включает в себя 60-62% масс. SiO₂, 15-16% масс. Al₂O₃, 14,5-16,5% масс. СаО, 6,5-7,5% масс. MgO, 0,09% масс. Na₂O или менее, 0-0,1% масс. К₂О, 0-1% масс. Li₂O, 0-0,1% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-0,75% масс. TiO₂, 0-0,1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих.

В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению являются, по существу, свободными от Na₂O. Композиции стекла по настоящему изобретению в некоторых вариантах осуществления являются, по существу, свободными от В₂О₃. В некоторых вариантах осуществления содержание (MgO + CaO) в композициях стекла является большим чем примерно 21,5% масс. Композиции стекла в некоторых вариантах осуществления могут иметь соотношение CaO/MgO, в пересчете на % масс., большее чем примерно 2,0. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла включают в себя 0-1% масс. К₂О. Композиции стекла, в некоторых вариантах осуществления, включают в себя 0,09% масс. К₂О или менее. Композиции стекла в некоторых вариантах осуществления включают в себя 0-2% масс. Li₂O. В некоторых вариантах осуществления композиций стекла содержание (Na₂O+K₂O+Li₂O) составляет меньше чем примерно 1% масс.

Композиции стекла по настоящему изобретению в некоторых вариантах осуществления являются превращаемыми в волокна, так, что композиции можно использовать для формования множества стекловолокон. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению имеют температуру ликвидуса меньше чем примерно 1250°С. Композиции стекла по настоящему изобретению в некоторых вариантах осуществления могут иметь температуру формования меньше чем примерно 1300°С. В некоторых вариантах осуществления разница между температурой формования и температурой ликвидуса композиций стекла составляет по меньшей мере 50°С.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к одному или более стекловолокон, формованных из композиции стекла по настоящему изобретению. В некоторых вариантах осуществления стекловолокно может иметь модуль Юнга, больший чем примерно 80 ГПа. Стекловолокно в некоторых вариантах осуществления может иметь модуль Юнга, больший чем примерно 85 ГПа. Стекловолокно в некоторых вариантах осуществления может иметь модуль Юнга, больший чем примерно 87 ГПа.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к полимерным композитам. В некоторых вариантах осуществления полимерный композит включает в себя полимерный материал (например, термопластичную или термоотверждающуюся смолу) и, по меньшей мере, одно стекловолокно, формованное из любой из композиций стекла, описанных или раскрытых в настоящем описании.

Эти и другие варианты осуществления обсуждаются более подробно в подробном описании, которое последует.

Подробное описание

Если не указано иначе, все численные параметры, приведенные в следующем описании, являются приближениями, которые могут меняться в зависимости от желаемых свойств, которые требуется получить при помощи настоящего изобретения. По меньшей мере, и не в качестве попытки ограничить применение теории эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый численный параметр следует толковать в свете ряда приводимых значащих цифр и путем применения обычных приемов округления.

Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, устанавливающие широкий объем изобретения, являются приближениями, числовые значения, приведенные в конкретных примерах, приводятся настолько точно, насколько это возможно. Любое числовое значение, однако, по своей природе содержит определенные неточности, неминуемо возникающие от стандартного отклонения, проявляющегося в их соответствующих опытных замерах. Более того, все диапазоны, раскрытые в настоящем описании, следует понимать как охватывающие любые и все поддиапазоны, включенные в них. Например, указанный диапазон “1-10” следует считать содержащим любые и все поддиапазоны между (и включительно) минимальным значением 1 и максимальным значением 10; то есть, все поддиапазоны, начинающиеся с минимального значения 1 или более, например 1-6,1, и оканчивающиеся максимальным значением 10 или менее, например 5,5-10. В дополнение, любая отсылка на “включенный в него” должна пониматься как включенный во всей своей полноте.

Дополнительно отмечаем, что в том виде, как они используются в настоящем описании, формы в единственном числе “a”, “an” и “the” включают в себя множественные объекты ссылки, если не являются определенно и недвусмысленно ограниченными одним объектом ссылки.

Настоящее изобретение в общем относится к композициям стекла. В одном аспекте в настоящем изобретении создаются стекловолокна, формируемые из композиций стекла, описанных в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут обладать улучшенными механическими свойствами, такими как модуль Юнга, по сравнению с обычными волокнами из Е-стекла.

В одном варианте осуществления в настоящем изобретении создается композиция стекла, содержащая 52-67% масс. SiO₂, 10,5-20% масс. Al₂O₃, 10,5-19% масс. СаО, 4-14% масс. MgO, 0-3% масс. Na₂O, 0-1% масс. К₂О, 0-2% масс. Li₂O, 0-4% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,5% масс. F₂, 0-2 масс. TiO₂, 0-2% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством SiO₂, присутствующего в композициях стекла. SiO₂ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 52 и примерно 67% масс. В некоторых вариантах осуществления SiO₂ может присутствовать в количестве между примерно 55 и примерно 67% масс. SiO₂ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 58 и примерно 62% масс. В некоторых вариантах осуществления SiO₂ может присутствовать в количестве между примерно 60 и примерно 62% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством Al₂O₃, присутствующего в композициях стекла. Al₂O₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 10,5 и примерно 20% масс. В некоторых вариантах осуществления Al₂O₃ может присутствовать в количестве между примерно 11 и примерно 19% масс. Al₂O₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 14 и примерно 17% масс. В некоторых вариантах осуществления Al₂O₃ может присутствовать в количестве между примерно 14,5 и примерно 16% масс. Al₂O₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 15 и примерно 16% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством СаО, присутствующего в композициях стекла. СаО в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 10,5 и примерно 19% масс. В некоторых вариантах осуществления СаО может присутствовать в количестве между примерно 11 и примерно 18% масс. СаО в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 14 и примерно 17,5% масс. В некоторых вариантах осуществления СаО может присутствовать в количестве между примерно 14,5 и примерно 17,5% масс. СаО в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 14 и примерно 16% масс. В некоторых вариантах осуществления СаО может присутствовать в количестве между примерно 14,5 и примерно 16,5% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством MgO, присутствующего в композициях стекла. MgO в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 4 и примерно 14% масс. В некоторых вариантах осуществления MgO может присутствовать в количестве между примерно 4,5 и примерно 13% масс. MgO в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 6 и примерно 9% масс. В некоторых вариантах осуществления MgO может присутствовать в количестве между примерно 6 и примерно 7,5% масс. MgO в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 6,5 и примерно 7,5% масс.

В некоторых вариантах осуществления композиции по настоящему изобретению могут характеризоваться содержанием (MgO+CaO). Содержание (MgO+CaO) в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может составлять больше, чем примерно 21,5% масс. В некоторых вариантах осуществления содержание (MgO+CaO) может составлять больше чем примерно 21,7% масс. Содержание (MgO+CaO) в некоторых вариантах осуществления может составлять больше чем примерно 22% масс.

В некоторых вариантах осуществления композиции по настоящему изобретению могут характеризоваться содержанием общего количества оксидов щелочноземельных металлов (RO) (т.е. MgO+CaO+BaO+SrO). Содержание RO в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может составлять больше чем примерно 21,5% масс. В некоторых вариантах осуществления содержание RO может составлять больше чем примерно 21,7% масс. Содержание RO в некоторых вариантах осуществления может составлять больше чем примерно 22% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством MgO относительно СаО, которое можно выразить как CaO/MgO (% масс. СаО, деленные на % масс. MgO). В некоторых вариантах осуществления CaO/MgO может составлять больше чем примерно 2,0. Соотношение CaO/MgO в некоторых вариантах осуществления может составлять больше чем примерно 2,1.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством Na₂O, присутствующего в композициях стекла. Na₂O в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 3% масс. В некоторых вариантах осуществления Na₂O может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 2,5% масс. Na₂O в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве меньше, чем примерно 1% масс. В некоторых вариантах осуществления Na₂O может присутствовать в количестве 0,09% масс. или менее. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению могут являться, по существу, свободными от Na₂O, означая, что любой Na₂O, присутствующий в композиции стекла, будет происходить от Na₂O, присутствующего в качестве следовой примеси в сырьевом материале.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством K₂O, присутствующего в композициях стекла. K₂O в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 1% масс. K₂O в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве меньше чем примерно 0,2% масс. В некоторых вариантах осуществления K₂O может присутствовать в количестве 0,09% масс. или менее. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению могут являться, по существу, свободными от K₂O, означая, что любой K₂O, присутствующий в композиции стекла, будет происходить от K₂O, присутствующего в качестве следовой примеси в сырьевом материале.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством Li₂O, присутствующего в композициях стекла. Li₂O в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 2% масс. В некоторых вариантах осуществления Li₂O может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 1% масс. Li₂O в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве меньше чем примерно 0,7% масс.

В некоторых вариантах осуществления композиции по настоящему изобретению могут характеризоваться содержанием общего количества оксидов щелочных металлов (R₂O) (т.е., Na₂O+K₂O+Li₂O). Содержание R₂O в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может составлять между примерно 0,1 и примерно 3% масс. В некоторых вариантах осуществления содержание R₂O может составлять меньше, чем примерно 1,5% масс. Содержание R₂O в некоторых вариантах осуществления может составлять меньше чем примерно 1% масс. В некоторых вариантах осуществления содержание Na₂O в композиции стекла может составлять меньше, чем содержание К₂О и/или содержание Li₂O.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством В₂О₃, присутствующего в композициях стекла. В₂О₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 4% масс. В₂О₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве меньше чем примерно 1% масс. В некоторых вариантах осуществления В₂О₃ может присутствовать в количестве меньше чем примерно 0,5% масс. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению могут являться, по существу, свободными от В₂О₃, означая, что любой В₂О₃, присутствующий в композиции стекла, будет происходить от В₂О₃, присутствующего в качестве следовой примеси в сырьевом материале.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством Fe₂O₃, присутствующего в композициях стекла. Fe₂O₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 0,44% масс. В некоторых вариантах осуществления Fe₂O₃ может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 0,4% масс. Fe₂O₃ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0,2 и примерно 0,3% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством F₂, присутствующего в композициях стекла. F₂ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 0,5% масс. В некоторых вариантах осуществления F₂ может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 0,1% масс. В некоторых вариантах осуществления F₂ может присутствовать в количестве меньше, чем примерно 0,1% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством TiO₂, присутствующего в композициях стекла. TiO₂ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 2% масс. В некоторых вариантах осуществления TiO₂ может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 1% масс. TiO₂ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0,2 и примерно 0,75% масс. В некоторых вариантах осуществления TiO₂ может присутствовать в количестве меньше чем примерно 0,75% масс.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут характеризоваться количеством ZrO₂, присутствующего в композициях стекла. ZrO₂ в некоторых вариантах осуществления может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 2% масс. В некоторых вариантах осуществления ZrO₂ может присутствовать в количестве между примерно 0 и примерно 1% масс. В некоторых вариантах осуществления ZrO₂ может присутствовать в количестве меньше чем примерно 0,01% масс. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению могут являться, по существу, свободными от ZrO₂, означая, что любой ZrO₂, присутствующий в композиции стекла, будет происходить от ZrO₂, присутствующего в качестве следовой примеси в сырьевом материале.

Другим преимущественным аспектом изобретения в некоторых вариантах осуществления является опора на составляющие, которые являются обычными в стекловолоконной промышленности, и на избегание значительных количеств составляющих, источники сырьевого материала для которых являются дорогостоящими. Для этого аспекта изобретения составляющие в дополнение к таковым, ясно приведенным в определении состава стекол по настоящему изобретению, могут являться включенными, даже если и не требуется, но в общих количествах не более 5% масс. Эти необязательные составляющие включают в себя способствующие плавлению добавки, способствующие очистке добавки, красители, следовые примеси и другие добавки, известные специалистам в области техники изготовления стекол. Например, какого-либо количества ВаО не требуется в композициях по настоящему изобретению, но включение минорных количеств ВаО (например, вплоть до примерно 1% масс.) не будет заранее исключено. Подобным же образом, больших количеств ZrO не требуется в настоящем изобретении, но в некоторых вариантах осуществления минорные количества (например, вплоть до примерно 2,0% масс.) могут быть включены. В тех вариантах осуществления изобретения, в которых необязательные составляющие являются минимизированными, общее содержание необязательных составляющих составляет не более чем 2% масс. или не более чем 1% масс. Альтернативным образом, можно сказать, что некоторые варианты осуществления изобретения состоят, по существу, из приведенных составляющих.

В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении создается композиция стекла, содержащая 55-67% масс. SiO₂, 11-19% масс. Al₂O₃, 11-18% масс. СаО, 4,5-13% масс. MgO, 0-2,5% масс. Na₂O, 0-1% масс. К₂О, 0-2% масс. Li₂O, 0-1% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-1% масс. TiO₂, 0-1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих. В некоторых дополнительных вариантах осуществления количество Na₂O может составлять 0,09% масс. или менее. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от Na₂O. В некоторых дополнительных вариантах осуществления содержание (MgO+CaO) может являться большим чем примерно 21,5% масс., большим чем примерно 21,7% масс. в других и большим чем примерно 22% масс. в других. Соотношение CaO и MgO или CaO/MgO в некоторых вариантах осуществления может являться большим, чем 2,0 и может являться большим, чем примерно 2,1 в других. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от B₂O₃.

В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении создается композиция стекла, содержащая 58-62% масс. SiO₂, 14-17% масс. Al₂O₃, 14-17,5% масс. СаО, 6-9% масс. MgO, 0-1% масс. Na₂O, 0-0,2% масс. К₂О, 0-1% масс. Li₂O, 0-0,5% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-1% масс. TiO₂, 0-1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих. В некоторых дополнительных вариантах осуществления количество Na₂O может составлять 0,09% масс. или менее. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от Na₂O. В некоторых дополнительных вариантах осуществления содержание (MgO+CaO) может являться большим чем примерно 21,5% масс., большим чем примерно 21,7% масс. в других и большим чем примерно 22% масс. в других. Соотношение CaO и MgO или CaO/MgO в некоторых вариантах осуществления может являться большим чем 2,0 и может являться большим чем примерно 2,1 в других. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от B₂O₃.

В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении создается композиция стекла, содержащая 58-62% масс. SiO₂, 14-17% масс. Al₂O₃, 14-16% масс. СаО, 6-9% масс. MgO, 0-1% масс. Na₂O, 0-0,2% масс. К₂О, 0-1% масс. Li₂O, 0-0,5% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-1% масс. TiO₂, 0-1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих. В некоторых дополнительных вариантах осуществления количество Na₂O может составлять 0,09% масс. или менее. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от Na₂O. В некоторых дополнительных вариантах осуществления содержание (MgO+CaO) может являться большим чем примерно 21,5% масс., большим чем примерно 21,7% масс. в других и большим чем примерно 22% масс. в других. Соотношение CaO и MgO или CaO/MgO в некоторых вариантах осуществления может являться большим чем 2,0 и может являться большим чем примерно 2,1 в других. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от B₂O₃.

В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении создается композиция стекла, содержащая 60-62% масс. SiO₂, 14,5-16% масс. Al₂O₃, 14,5-17,5% масс. СаО, 6-7,5% масс. MgO, 0,09% масс. Na₂O или менее, 0-0,1% масс. К₂О, 0-1% масс. Li₂O, 0-0,1% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-0,75% масс. TiO₂, 0-0,1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от Na₂O. В некоторых дополнительных вариантах осуществления содержание (MgO+CaO) может являться большим чем примерно 21,5% масс., большим чем примерно 21,7% масс. в других и большим чем примерно 22% масс. в других. Соотношение CaO и MgO или CaO/MgO в некоторых вариантах осуществления может являться большим чем 2,0 и может являться большим чем примерно 2,1 в других. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от B₂O₃.

В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении создается композиция стекла, содержащая 60-62% масс. SiO₂, 15-16% масс. Al₂O₃, 14,5-16,5% масс. СаО, 6,5-7,5% масс. MgO, 0,09% масс. Na₂O или менее, 0-0,1% масс. К₂О, 0-1% масс. Li₂O, 0-0,1% масс. В₂О₃, 0-0,44% масс. Fe₂O₃, 0-0,1% масс. F₂, 0-0,75% масс. TiO₂, 0-0,1% масс. ZrO₂ и 0-5% масс. других составляющих. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от Na₂O. В некоторых дополнительных вариантах осуществления содержание (MgO+CaO) может являться большим чем примерно 21,5% масс., большим чем примерно 21,7% масс. в других и большим чем примерно 22% масс. в других. Соотношение CaO и MgO или CaO/MgO в некоторых вариантах осуществления может являться большим чем 2,0 и может являться большим чем примерно 2,1 в других. В некоторых вариантах осуществления такие композиции стекла могут являться, по существу, свободными от B₂O₃.

Композиции стекла в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения являются превращаемыми в волокна. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению имеют температуры формования (T_F) меньше чем примерно 1300°С. В том виде, как он используется в настоящем описании, термин “температура формования” означает температуру, при которой композиция стекла имеет вязкость в 1000 пуаз (или “температуры log 3”). В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению являются превращаемыми в волокна при температуре формования. Композиции стекла в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения имеют температуры формования между примерно 1200°С и примерно 1300°С. В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению имеют температуры формования, варьирующиеся от примерно 1240°С до примерно 1280°С.

Более того, в некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению имеют температуры ликвидуса (T_L) меньше чем примерно 1250°С. Композиции стекла в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения имеют температуры ликвидуса, варьирующиеся от примерно 1200°С до примерно 1240°С.

В некоторых вариантах осуществления разница между температурой формования и температурой ликвидуса композиции стекла по настоящему изобретению варьируется от примерно 35°С до больше чем 60°С. В некоторых вариантах осуществления разница между температурой формования и температурой ликвидуса композиции стекла по настоящему изобретению составляет, по меньшей мере, 50°С.

В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению имеют плотность в расплавленном состоянии при температуре формования, варьирующуюся от 2,5 г/см² до 2,7 г/см². В некоторых вариантах осуществления композиции стекла по настоящему изобретению имеют плотность в расплавленном состоянии при температуре формования, варьирующуюся от 2,50 г/см² до 2,65 г/см².

В том виде, как они создаются в настоящем изобретении, стекловолокна можно формовать из некоторых вариантов осуществления композиций стекла по настоящему изобретению. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут проявлять улучшенные механические свойства относительно стекловолокон, формованных из Е-стекла. Например, в некоторых вариантах осуществления стекловолокна, формованные из композиций стекла по настоящему изобретению, могут иметь модуль Юнга (Е) больше чем примерно 75 ГПа. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь модуль Юнга больше чем примерно 80 ГПа. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь модуль Юнга больше чем примерно 85 ГПа. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь модуль Юнга больше чем примерно 87 ГПа. Если не указано иначе, значения модуля Юнга, обсуждаемые в настоящем описании определяют с использованием процедуры, приведенной в разделе “Примеры” ниже.

В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь прочность на растяжение, большую чем 3300 МПа. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь прочность на растяжение, большую чем 3600 МПа. Если не указано иначе, значения прочности на растяжение определяют с использованием процедуры, приведенной в разделе “Примеры” ниже.

В некоторых вариантах осуществления удельная прочность или удельный модуль стекловолокон по настоящему изобретению может являться важным. Удельная прочность относится к прочности на растяжение в Н/м², деленной на удельный вес в Н/м³. Удельный модуль относится к модулю Юнга в Н/м², деленному на удельный вес в Н/м³. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь удельную прочность больше чем 13×10⁴ м. Стекловолокна в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения могут иметь удельную прочность больше чем 14×10⁴ м. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению могут иметь удельный модуль больше чем 3,35×10⁶ м. Эти значения являются улучшением по сравнению с волокнами из Е-стекла, которые понимают как обычно имеющие удельную прочность в 11,8×10⁴ м и удельный модуль в 3,16×10⁶ м.

Промышленные стекловолокна по настоящему изобретению можно изготовить обычным способом, хорошо известным в уровне техники, путем смешивания сырьевых материалов, используемых для подачи конкретных оксидов, которые образуют композицию волокон. Например, обычно для SiO₂ используют песок, глину для Al₂O₃, известь или известняк для СаО и доломит для MgO и некоторые для СаО.

Как отмечено выше, стекло может содержать другие добавки, которые добавляют для способствования процессам плавления стекла и вытягивания волокон без отрицательного воздействия на стекло или механические свойства стекловолокна или на конкретные механические свойства. Также является возможным, чтобы стекло содержало малые количества примесей, которые происходят от примесей в сырье. Например, сульфат (выражаемый как SO₃) может также присутствовать в качестве осветлителя. Малые количества примесей также могут присутствовать из сырьевых материалов или из-за загрязнения во время процессов плавления, такие как SrO, BaO, Cl₂, P₂O₅, Cr₂O₃ или NiO (не ограниченные этими конкретными химическими формами). Другие осветлители и/или способствующие обработке добавки также могут присутствовать, такие как As₂O₃, MnO, MnO₂, Sb₂O₃ или SnO₂ (не ограниченные этими конкретными химическими формами). Эти примеси и осветлители, когда они присутствуют, каждая из них присутствует в количествах, меньших, чем 0,5% по массе общей композиции стекла. Необязательным образом, в композиции по настоящему изобретению могут быть добавлены элементы редкоземельной группы периодической таблицы элементов, включая атомные номера 21 (Sc), 39 (Y) и 57 (La), до 71 (Lu). Таковые могут служить либо в качестве способствующих обработке добавок или для улучшения электрических, физических (термических и оптических), механических и химических свойств стекол. Редкоземельные добавки могут быть включены с учетом исходных химических форм и степеней окисления. Добавление редкоземельных элементов считается необязательным, особенно в тех вариантах осуществления настоящего изобретения, которые имеют задачу снизить затраты на сырьевые материалы, так как они будут увеличивать затраты на сырье даже в низких концентрациях. В любом случае их стоимости обычно будут устанавливать, что редкоземельные компоненты (считая на оксиды) при включении будут присутствовать в количествах не более, чем примерно 0,1-3,0% по массе общей композиции стекла.

Стекловолокна в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения можно формовать с использованием любого способа, известного в уровне техники для формования стекловолокон, и, более желательно, любым способом, известным из уровня техники для формования, по существу, непрерывных стекловолокон. Например (хотя и без ограничений в настоящем описании) стекловолокна в соответствии с неограничивающими вариантами осуществления настоящего изобретения можно формовать с использованием способов формования волокон прямой плавкой или непрямой плавкой. Эти способы являются хорошо известными в области техники и дальнейшее обсуждение таковых считается в настоящем раскрытии необязательным. См., например, K. L. Loewenstein, The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers, 3rd Ed., Elsevier, N.Y., 1993, на стр. 47-48 и 117-234.

Хотя это и не ограничено в настоящем описании, стекловолокна в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения могут являться пригодными в применениях в армировании конструкций. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна по настоящему изобретению можно использовать в усилении полимеров, включая термопласты и термоотверждающиеся. В некоторых вариантах осуществления стекловолокна стекловолокна, формованные из композиций стекла по настоящему изобретению, можно использовать в применениях по усилению. Например, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, имеющие относительно высокую удельную прочность или относительно высокий удельный модуль (в особенности, по сравнению с волокнами из Е-стекла), могут являться желательными в применениях, где существует потребность увеличения механических свойств или эффективности продукта, при снижении общей массы композита. Некоторые примеры потенциальных использований композитов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения включают, без ограничений, энергию ветра (например, лопасти ветряков), баллистическую броню, аэрокосмические или авиационные применения (например, внутренние полы самолетов) и другие. Например, в некоторых вариантах осуществления композиты, содержащие стекловолокна в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, могут иметь более высокий модуль, чем существующие стандартные усиленные композиты из Е-стекла, и могут являться пригодными в изготовлении нового поколения лопастей ветряных турбин и других применений, ведомых механической эффективностью.

В различных вариантах осуществления в настоящем изобретении создается полимерный композит, содержащий полимерный материал и, по меньшей мере, одно стекловолокно, формованное из любой из композиций стекла, описанных или раскрытых в настоящем описании. Полимерные композиты в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения можно изготовить путем импрегнирования плетеных тканей или неплетеных тканей или сеток из стекловолокон полимерным материалом и затем отверждения полимерного материала. В другом варианте осуществления непрерывные стекловолокна и/или рубленые стекловолокна, содержащие композиции стекла по настоящему изобретению, можно распределить в полимерном материале. В зависимости от типа полимерного материала, полимерный материал можно отвердить после внесения непрерывных или рубленых стекловолокон.

Изобретение будет проиллюстрировано при помощи следующего ряда конкретных вариантов осуществления. Однако специалисту в данной области техники будет понятно, что многие другие варианты осуществления подразумеваются принципами изобретения.

ПРИМЕРЫ

Примеры 1-11

Стекла в этих примерах изготавливали путем плавления смесей химически чистых химикатов в порошкообразной форме в 10% Rh/Pt-тиглях при температурах между 1500°С и 1550°С (2732°F - 2822°F) в течение четырех часов. Каждая партия составляла примерно 1200 грамм. После периода плавления в 4 часа расплавленное стекло выливали на стальную пластину для быстрого остывания. Летучие вещества, такие как оксиды фтора и щелочных металлов, не регулировали в партиях по потере выбросов из-за их низкого содержания в стеклах. Композиции в примерах представлены в виде дозированных композиций. В получении стекол использовали доступные на рынке ингредиенты. В расчете порций для расчета количества оксидов в каждом стекле принимали во внимание особые факторы удерживания сырьевых материалов. Факторы удерживания основаны на годах плавления партии стекла и выхода оксидов в стекле, как измерено. Следовательно, считается, что дозированные композиции, показанные в изобретении, являются близкими к измеренным композициям.

Таблица 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 SiO₂ 60,46 60,46 60,32 60,14 59,91 59,85 60,73 60,92 60,95 60,97 61,02 Al₂O₃ 15,33 15,27 15,24 15,19 15,48 15,70 15,36 15,40 15,32 15,32 15,32 CaO 14,94 14,97 14,94 14,89 15,18 15,07 14,98 15,02 15,22 15,23 15,22 MgO 7,28 7,00 7,20 7,49 7,10 7,04 7,00 7,02 6,87 6,87 6,87 Na₂O 0,66 0,66 0,66 0,66 0,67 0,67 0,66 0,66 0,06 0,06 0,06 K₂O 0,09 0,09 0,09 0,09 0,10 0,10 0,09 0,10 0,11 0,09 0,11 Li₂O 0,20 0,61 0,60 0,60 0,61 0,61 0,61 0,30 0,61 0,63 0,643 B₂O₃ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Fe₂O₃ 0,31 0,27 0,27 0,27 0,28 0,28 0,28 0,28 0,27 0,28 0,27 f₂ 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0 0 0 TiO₂ 0,72 0,65 0,65 0,65 0,66 0,66 0,29 0,29 0,49 0,52 0,49 ZrO₂ 0 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0 0 0 Другие (например, SO₃₎ 0,1 0,02 MgO + CaO 22,22 21,97 22,14 22,38 22,28 22,11 21,98 22,04 22,09 22,1 22,09 CaO/MgO 2,05 2,14 2,075 1,99 2,14 2,14 2,14 2,14 2,215 2,22 2,215 R₂O 0,95 1,36 1,35 1,35 1,38 1,38 1,36 1,06 0,78 0,78 ,813 Свойства t_l(°c) 1207 1210 1212 1211 1208 1211 1211 1216 1213 1219 t_f(°c) 1273 1249 1260 1251 1258 1252 1270 1280 1273 1280 t_f-t_l(°c) 66 39 48 40 50 41 59 64 60 61 Плотность
(г/см³) 2,601 2,61 2,621 2,621 2,584 2,585 2,555 2,542 2,582 2,65 Прочность (МПа) 3623 3734 3537 3674 3353 3751 3696 3643 3751 Удельная прочность (10⁴ m) 14,21 14,60 13,77 14,30 13,24 14,81 14,76 14,62 14,82 Модуль (ГПа) 86,53 85,6 86,39 85,42 83,17 86,4 Удельный модуль (10⁶ m) 3,39 3,38 3,41 3,41 3,34 3,41

Свойства расплава

Вязкость расплава в качестве функции температуры и температуры ликвидуса определяли при помощи использования метода испытаний С965 по ASTM, “Стандартная методика определения вязкости стекла выше температуры размягчения” и С829 “Стандартные методики определения температуры ликвидуса стекла при помощи способа градиентной печи” соответственно.

В таблице 1 выше просуммированы измеренные температуры ликвидуса (T_L) и эталонная температура формования (T_F), определенные вязкостью расплава в 1000 пуаз для композиций стекла из примеров 1-10. Композиции стекла из примеров 1-10 показывали температуру ликвидуса больше чем 1200°С. Композиции стекла проявляли температуры формования между 1249°С и 1280°С. Разница между температурой формования и температурой ликвидуса (или ΔТ) для этих композиций варьировалась от 39°С до 66°С.

Механические свойства

Для испытания волокна на прочность на растяжение образцы волокна из композиций стекла изготавливали на установке для вытягивания волокон с одиночным наконечником 10Rh/90Pt. Приблизительно 85 грамм стеклянного боя данной композиции загружали в футеровочную плавильную установку и кондиционировали при температуре, близкой или равной таковой при вязкости расплава в 100 пуаз в течение двух часов. Температуру расплава затем последовательно понижали до близкой или равной таковой при вязкости расплава в 1000 пуаз и стабилизировали в течение одного часа перед вытягиванием волокон. Диаметр волокон регулировали для получения волокна диаметром приблизительно в 10 мкм путем регулировки скорости катушки вытягивателя волокон. Все образцы волокон захватывали в воздухе без какого-либо соприкосновения с инородными телами. Вытягивание волокон завершали в комнате с контролируемой влажностью между 40 и 45% относительной влажности.

Прочность волокон на растяжение измеряли с использованием анализатора прочности на растяжение Kawabata KES-G1 (Kato Tech Co., Ltd, Япония), оборудованным загрузочной ячейкой Kawabata типа С. Образцы волокон монтировали на рамные бумажные полоски с использованием адгезивной смолы. К волокну прикладывали растягивающее усилие до разрушения, с которого измеряли прочность волокна на основании диаметра волокна и разрывного усилия. Испытание проводили при комнатной температуре при регулируемой влажности между 40 и 45% относительной влажности. Средние значения рассчитывали на основании размера образца в 60-65 волокон для каждой композиции.

В таблице 1 выше приведены средние прочности на растяжение для волокон, формованных из композиций из примеров 1-9. Прочности на растяжение варьировались от 3353 до 3751 МПа для волокон, формованных из композиций из примеров 1-9. Удельные прочности рассчитывали путем деления значений прочности на растяжение (Н/м²) на соответствующие удельные веса (в Н/м³). Удельные прочности волокон, изготовленных из композиций по примерам 1-9, варьировались от 13,24 до 14,82×10⁴ м. Для сравнения, было измерено, что десятимикронное волокно из Е-стекла имеет плотность волокна в 2,659 г/см³, прочность на растяжение в 3076 МПа и удельную прочность в 12,2×10⁴ м. Таким образом, волокна, изготовленные из композиций из примеров 1-9, имеют прочности на растяжение, которые на 9-22% выше, чем прочности на растяжение волокна из Е-стекла, и улучшение в удельной прочности по сравнению с волокном из Е-стекла на 8-21%.

Модуль Юнга также измеряли для определенных композиций стекла в Таблице 1 с использованием следующей методики. Приблизительно 50 грамм стеклянного боя, имеющего состав, соответствующий подходящему примеру в таблице 1, снова расплавляли в тигле из 90Pt/10Rh в течение двух часов при температуре плавления, определяемой 100 пуаз. Тигель затем переносили в вертикальную трубчатую, электрически обогреваемую печь. Температуру печи устанавливали при температуре вытягивания волокон, близкой или равной таковой при вязкости расплава в 1000 пуаз. Стекло приводили в равновесие при температуре в течение одного часа перед вытягиванием волокон. Верхняя часть печи для вытягивания волокон имела крышку с центральным отверстием, вокруг которой была смонтирована охлаждаемая водой медная спираль для регулировки охлаждения волокон. Затем через охлаждающую спираль в расплав вручную погружали стержень из диоксида кремния и вытягивали волокно длиной примерно 1-1,5 м; и собирали его. Диаметр волокна варьировался от 100 мкм на одном конце до 1000 мкм на другом конце.

Модули эластичности определяли с использованием методики ультразвукового акустического импульса (устройство Panatherm 5010 от Panametrics, Inc., Waltham, Массачусетс) для волокон, вытянутых из расплавов стекла. Время отражения продольной волны получали с использованием импульсов в 200 КГц, продолжительностью двадцать микросекунд. Длину образца измеряли и рассчитывали соответствующую скорость продольной волны (V_E). Плотность волокна (ρ) измеряли с использованием пикнометра Micromeritics AccuPyc 1330. Для каждой композиции проводили примерно 20 измерений и средний модуль Юнга (Е) рассчитывали по следующей формуле:

В измерителе модуля используется волновод диаметром 1 мм, который устанавливает диаметр волокна на контактирующей стороне с волноводом примерно таким же, как и диаметр волновода. Другими словами, конец волокна в 1000 мкм присоединяли к контактной стороне волновода. Волокна с различными диаметрами испытывали на модуль Юнга, и результаты показывают, что диаметр волокна от 100 до 1000 мкм не влияет на модуль волокна.

Значения модуля Юнга менялись от 83,17 до 86,53 ГПа для волокон, формованных из композиций из Таблицы 1. Удельные значения модуля Юнга рассчитывали путем деления значений модуля Юнга на соответствующие плотности. Удельные модули волокон, формованных из композиций из примеров 1 и 5-9, менялись от 3,34 до 3,41×10⁴ м. Для сравнения, было измерено, что волокно из Е-стекла (с использованием той же методики, что и выше) имеет плотность волокна в 2,602 г/см³, модуль в 80,54 ГПа и удельный модуль в 3,16×10⁶ м. Таким образом, волокна, изготовленные из композиций из примеров 1 и 5-9, имеют модули, которые на 3-7% выше, чем модуль волокна из Е-стекла, и улучшение удельного модуля по сравнению с волокном из Е-стекла в 5-8%.

Примеры 12-22

Примеры 12-22 изготавливали в обычной печи для плавления композиций стекла для формования стекловолокна. Партию стекла изготавливали из обычных сырьевых материалов (например, песка, глины, известняка и т.д.). Образцы расплавленного стекла удаляли из печи и давали возможность затвердеть. Состав стекла затем определяли с использованием калиброванной рентгеновской флуоресценции, за исключением содержания Li₂O, которое определяли при помощи обычного влажного анализа. Другие свойства, приведенные в таблице 2 ниже, определяли с использованием тех же методик, что описаны выше в связи с примерами 1-11 (включая способы, по которым получали образцы волокон и диапазон диаметра волокон), за исключением того, что образцы стекла из обычной печи использовали в качестве источника стекла для волокон.

Таблица 2 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 SiO₂ 60,32 60,31 60,17 60,25 60,12 60,27 60,39 60,70 60,84 60,79 60,86 А1₂Оз 14,50 14,76 14,86 14,98 15,02 15,09 15,11 15,17 15,20 15,19 15,19 CaO 17,36 16,64 16,47 16,14 16,03 15,83 15,58 15,44 15,51 15,54 15,52 MgO 6,06 6,52 6,65 6,87 6,97 7,09 7,12 6,80 6,72 6,71 6,71 Na₂O 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,08 K₂O 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 Li₂O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,51 0,54 0,62 0,67 0,70 0,71 0,70 В₂О₃ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Fe₂O₃ 0,27 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,27 0,27 F₂ TiO₂ 0,48 0,48 0,47 0,47 0,47 0,47 0,46 0,45 0,45 0,45 0,45 ZrO₂ Другие (например, SO₃₎ MgO+CaO 23,42 23,16 23,12 23,01 23,00 22,92 22,70 22,24 22,23 22,25 22,23 CaO/MgO 2,86 2,55 2,48 2,35 2,30 2,23 2,19 2,27 2,31 2,32 2,31 R₂O 0,14 0,14 0,14 0,14 0,65 0,70 0,78 0,84 0,87 0,88 0,87 Свойства T_L(°C) 1214 1213 1213 1213 1211 1211 1207 1204 1203 1204 1204 T_F(°C) 1270 1270 1269 1270 1269 1268 1268 1275 1273 1272 1270 T_F-T_L(°C) 56 57 56 57 58 57 61 71 70 68 66 Плотность
(г/см³) 2,63 2,63 2,63 2,62 2,62 2,62 2,62 2,60 2,61 2,61 2,61 Прочность (МПа) 3373 3597 3632 Удельная прочность (10⁴ m) 13,1 14,00 14,19 Модуль (ГПа) 87,93 88,38 87,90 88,10 87,90 88,02 88,58 88,86 88,86 88,82 89,11 Удельный модуль
(10⁶ m) 3,41 3,43 3,41 3,43 3,42 3,43 3,45 3,49 3,47 3,47 3,48

В таблице 2 выше приведены средние прочности на растяжение для волокон, формованных из композиций из примеров 12, 18 и 22. Прочности на растяжение варьировались от 3373 до 3632 МПа. Удельные прочности рассчитывали путем деления значений прочности на растяжение (в Н/м²) на соответствующие удельные веса (в Н/м³). Удельные прочности волокон, изготовленных из композиций по примерам 12, 18 и 22, варьировались от 13,1 до 14,19×10⁴ м. Для сравнения, было измерено, что десятимикронное волокно из Е-стекла имеет плотность волокна в 2,659 г/см³, прочность на растяжение в 3076 МПа и удельную прочность в 12,2×10⁴ м. Таким образом, волокна, изготовленные из композиций из примеров 12, 18 и 22, имеют прочности на растяжение, которые на 9-18% выше, чем прочности на растяжение волокна из Е-стекла, и улучшение в удельной прочности по сравнению с волокном из Е-стекла на 7-16%.

Модули Юнга измеряли для волокон, формованных из композиций в таблице 2 с использованием той же методики, описанной в связи с таблицей 1. Значения модуля Юнга варьировались от 87,90 до 89,11 ГПа для волокон, формованных из композиций из Таблицы 2. Удельные значения модуля Юнга рассчитывали путем деления значений модуля Юнга на соответствующие плотности. Удельные модули волокон, формованных из композиций из примеров 12-22, менялись от 3,41 до 3,49×10⁴ м. Для сравнения, было измерено, что волокно из Е-стекла (с использованием той же методики, что и выше) имеет плотность волокна в 2,602 г/см³, модуль в 80,54 ГПа и удельный модуль в 3,16×10⁶ м. Таким образом, волокна, изготовленные из композиций из примеров 12-22, имеют модули, которые на 9-10,6% выше, чем модуль волокна из Е-стекла, и улучшение удельного модуля по сравнению с волокном из Е-стекла в 8-10%.

Желаемые характеристики, которые могут проявляться вариантами осуществления настоящего изобретения, могут включать в себя (но не ограничиваться ими) создание новых композиций стекла, которые проявляют желаемые свойства; создание новых композиций стекла, которые можно использовать для изготовления стекловолокон, имеющих желаемые механические свойства; новых композиций стекла, которые можно использовать для изготовления стекловолокон при промышленно приемлемых температурах формования; новых композиций стекла, которые показывают желаемые разницы в температурах ликвидуса и формования; и другие.

Следует понимать, что настоящее описание иллюстрирует аспекты изобретения, имеющие отношение к четкому пониманию изобретения. Определенные аспекты изобретения, которые будут являться очевидными средним специалистам в данной области техники и, следовательно, не будут способствовать лучшему пониманию изобретения, не приводились с целью упрощения настоящего описания. Хотя настоящее изобретение было описано в связи с определенными вариантами осуществления, настоящее изобретение не является ограниченным конкретными раскрытыми вариантами осуществления, но имеет целью охватывать модификации, которые входят в объем и сущность изобретения.

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к композициям стекла, стекловолокнам, формованным из таких композиций и предназначенным для изготовления композитов и стеклопластиков. В одном варианте осуществления композиция стекла включает в себя, масс.%: 58-62 SiO₂, 14-17 Al₂O₃, 14-17,5 CaO и 6-9 MgO, где количество Na₂O составляет 0,09 масс.% или менее, а также по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента в количестве 0,1-0,3 масс.%. Композиция стекла по существу не содержит В₂О₃. Технический результат изобретения – улучшение механических свойств волокон. 6 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 табл., 22 пр.

1. Композиция стекла, содержащая:

58-62% масс. SiO₂;

14-17% масс. Al₂O₃;

14-17,5% масс. CaO;

6-9% масс. MgO; и

по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента в количестве от 0,1 до 3,0% масс.,

где количество Na₂O составляет 0,09% масс. или менее и при этом композиция стекла является, по существу, свободной от В₂О₃.

2. Композиция стекла по п.1, которая является, по существу, свободной от Na₂O.

3. Композиция стекла по п.1, в которой содержание (MgO+CaO) составляет больше чем примерно 21,5% масс.

4. Композиция стекла по п.1, в которой соотношение CaO/MgO, считая на % масс., составляет больше чем примерно 2,0.

5. Композиция стекла по п.1, дополнительно содержащая 0-1% масс. К₂О и 0-2% масс. Li₂O.

6. Композиция стекла по п.5, в которой содержание (Na₂O+K₂O+Li₂O) составляет меньше чем примерно 1% масс.

7. Композиция стекла по п.1, которая является превращаемой в волокна, имеет температуру ликвидуса меньше чем примерно 1250°С и имеет температуру формования меньше чем примерно 1300°С, где разница между температурой формования и температурой ликвидуса составляет по меньшей мере 50°С.

8. Композиция стекла по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из As₂O₃, MnO, MnO₂, Sb₂O₃ и SnO₂.

9. Стекловолокно, сформованное из композиции стекла по п.1.

10. Стекловолокно по п.9, которое имеет модуль Юнга больше чем примерно 80 ГПа.

11. Стекловолокно по п.9, которое имеет модуль Юнга больше чем примерно 85 ГПа.

12. Стекловолокно по п.9, которое имеет модуль Юнга больше чем примерно 87 ГПа.

13. Композиция стекла, содержащая:

60-62% масс. SiO₂;

14,5-16% масс. Al₂O₃;

14,5-17,5% масс. CaO;

6-7,5% масс. MgO; и

по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента в количестве от 0,1 до 3,0% масс.,

где количество Na₂O составляет 0,09% масс. или менее и при этом композиция стекла является, по существу, свободной от В₂О₃.

14. Композиция стекла по п.13, которая является, по существу, свободной от Na₂O.

15. Композиция стекла по п.13, в которой содержание (MgO+CaO) составляет больше, чем примерно 21,5% масс.

16. Композиция стекла по п.13, в которой соотношение CaO/MgO, считая на % масс., составляет больше чем примерно 2,0.

17. Композиция стекла по п.13, дополнительно содержащая 0-1% масс. К₂О и 0-2% масс. Li₂O и в которой содержание (Na₂O+K₂O+Li₂O) составляет меньше чем примерно 1% масс.

18. Композиция стекла по п.13, которая является превращаемой в волокна, имеет температуру ликвидуса меньше чем примерно 1250°С и имеет температуру формования меньше чем примерно 1300°С, где разница между температурой формования и температурой ликвидуса составляет по меньшей мере 50°С.

19. Стекловолокно, сформованное из композиции стекла по п.13.

20. Стекловолокно по п.19, где стекловолокно имеет модуль Юнга больше чем примерно 80 ГПа.

21. Композиция стекла, содержащая:

58-62% масс. SiO₂;

14-17% масс. Al₂O₃;

11-16% масс. CaO;

6-9% масс. MgO; и

по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента в количестве от 0,1 до 3,0% масс.,

где количество Na₂O составляет 0,09% масс. или менее и при этом композиция стекла является, по существу, свободной от В₂О₃.

22. Композиция стекла, содержащая:

60-62% масс. SiO₂;

14-17% масс. Al₂O₃;

14-17,5% масс. CaO;

6-9% масс. MgO; и

0-1% масс. TiO₂,

где количество Na₂O составляет 0,09% масс. или менее, соотношение CaO/MgO, считая на % масс., составляет больше чем 2,0 и при этом композиция стекла является, по существу, свободной от В₂О₃.