СТЕКЛЯННЫЕ КОМПОЗИЦИИ И ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ НИХ ВОЛОКНА Российский патент 2018 года по МПК C03C13/06 C03C3/85 B32B17/04 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США № 61/594426, поданной 03 февраля 2012 г., а также представляет собой частичное продолжение предварительной патентной звяки США № 13/365590, поданной 03 февраля 2012 г., которая представляет собой частичное продолжение предварительной патентной звяки США № 12/534490, поданной 03 августа 2009 г., причем каждая из этих заявок во всей своей полноте включается в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение предусматривает стеклянные композиции и, в частности, волокнообразующие стеклянные композиции.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Крупномасштабное промышленное производство непрерывных стеклянных волокон (типы E-стекла и C-стекла) включает плавление исходных материалов, состоящих, главным образом, из минералов, которые являются кристаллическими или практически кристаллическими по своей природе. Для превращения этих кристаллических исходных материалов в стеклообразное состояние требуется подвод значительной энергии в течение процесса плавление. Принимая во внимание значительные затраты энергии, требуемые для кристаллических материалов, иногда стеклообразные или аморфные минералы используются в производстве стеклянных композиций. Стеклообразная или аморфная структура может уменьшать количество энергии, расходуемой в процессе плавления.

Стеклообразные минералы, такие как, например, базальт и обсидиан, используются как основные компоненты исходного материала для производства минеральной ваты.

Характерный недостаток некоторых стеклообразных минералов, однако, представляет собой высокое содержание железо в таких минералах. Как базальт, так и обсидиан содержит относительно большое количество железа, и по этой причине для получения содержащих их расплавов расходуется большое количество энергии. В результате этого использование традиционных печей на газовом топливе, как правило, оказывается непрактичным для плавильной переработки этих минералов. Можно использовать плавление в электрических печах для переработки стеклообразных минералов, имеющих высокое содержание железа, но это часто представляет собой ограничение объема производства стекловолокна по сравнению с традиционной технологией, использующей печи на газовом топливе. Исходные материалы, используемые в производстве волокон из E-стекла и C-стекла, как правило, имеют низкое содержание железо, и в результате этого становится возможным использование крупномасштабных печей на газовом топливе.

Перлит (а также его вспученная модификация, т.е. пемза) представляет собой минерал, который встречается в природе в стеклообразной форме. Перлит не так широко используется как исходный материал в стекольном производстве, отчасти вследствие параметров его состава. Основные компоненты перлита представляют собой SiO₂, Al₂O₃ и оксиды щелочных металлов (R₂O). Как правило, SiO₂ присутствует в перлите в количестве, составляющем от приблизительно 70 до приблизительно 75 масс. %. Как правило, Al₂O₃ присутствует в перлите в количестве, составляющем от приблизительно 12 до приблизительно 15 масс. %. Как правило, оксиды щелочных металлов присутствуют в перлите в количестве, составляющем от приблизительно 3 до приблизительно 9 масс. %. Эти параметры противоречат требованиям к составу нескольких широко используемых стеклянных композиций, включающих, например, композиции E-стекла и C-стекла.

Композиции E-стекла, например, хорошо приспособлены для изготовления стеклянных волокон. В результате этого большинство стеклянных волокон, используемых для армированных изделий, таких как полимерные армированные изделия, изготовлены из композиции E-стекла. Композиции E-стекла, как правило, имеют ограниченное содержание оксидов щелочных металлов, которое составляет не более чем 2%. Высокое содержание оксидов щелочных металлов в перлите не соответствует данному ограничению и делает перлит в значительной степени непригодным для использования в исходных композициях для производства композиций E-стекла.

Кроме того, композиции C-стекла также используются для изготовления волокон, устойчивых к коррозии в кислых средах. Чтобы противодействовать кислотной коррозии, композиции C-стекла имеют высокое содержание SiO₂ и низкое содержание Al₂O₃ (<8 масс. %). Высокое содержание Al₂O₃ в перлите, как правило, препятствует использованию перлита в исходных композициях для производства композиций C-стекла.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту, настоящее изобретение предусматривает стеклянные композиции, изготовленные из исходной композиции, в которой содержатся в значительных количествах один или несколько стеклообразных минералов, в том числе перлит и/или пемза. Согласно другому аспекту, настоящее изобретение предусматривает стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций, которые описаны в настоящем документе.

Согласно некоторым вариантам осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, изготовленную из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 50 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 65 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклообразный минерал, содержащий сочетание SiO₂ и Al₂O₃, представляет собой перлит, пемзу или их смеси.

Согласно другим вариантам осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, изготовленную из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 10 масс. % стеклообразного минерала, и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 25 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 40 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклообразный минерал, содержащий сочетание SiO₂ и Al₂O₃, представляет собой перлит, пемзу или их смеси.

Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % источника натрия. В источнике натрия, согласно некоторым вариантам осуществления, содержится карбонат натрия (сода).

Согласно некоторым вариантам осуществления, например, таким как варианты, в которых используются пониженные количества стеклообразного минерала, исходный материал может содержать дополнительный источник или источники кремния и/или алюминия. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, исходный материал может содержать, по меньшей мере, 10 масс. % источника, одновременно содержащего кремний и алюминий. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, источник, одновременно содержащий кремний и алюминий, представляет собой содержащий алюминий силикатный минерал, такой каолинит, диккит, галлуазит, накрит, монтмориллонит, или алюмосиликаты щелочных металлов. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % источника кремния. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % источника алюминия.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,5. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит от 10 до 12 масс. % Al₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,7. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит от 10 до 12 масс. % Al₂O₃.

Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент R₂O содержит Na₂O, K₂O или Li₂O или их смеси. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция содержит Na₂O в количестве, составляющем от 6,5 масс. % до приблизительно 16 масс. %. Стеклянная композиция, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит K₂O в количестве, составляющем от 0,5 масс. % до 5 масс. %, от 0,5 масс. % до 4 масс. % согласно некоторым вариантам осуществления, и от 2 масс. % до 4 масс. % согласно следующим вариантам осуществления. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит Li₂O в количестве, составляющем вплоть до 2 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент RO содержит MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO или их смеси. Компонент RO, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, присутствует в стеклянной композиции в количестве, составляющем от 7 масс. % до 31 масс. %. Согласно одному варианту осуществления, стеклянная композиция содержит MgO в количестве, составляющем вплоть до приблизительно 5 масс. %. Стеклянная композиция, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит CaO в количестве, составляющем от 7 масс. % до 26 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит ZnO в количестве, составляющем вплоть до 3 масс. %.

Стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, содержат оксиды металлов в качестве дополнения RO, в том числе, но не ограничиваясь этим, ZrO₂, TiO₂, MnO₂, La₂O₃ или их смеси.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 56 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 12 до 17 масс. % RO (CaO+MgO), от 12 до 14 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 60 до 64 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 7 до 15 масс. % RO (CaO+MgO), от 13 до 15,5 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 55 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 14 масс. % Al₂O₃, от 11 до 16,5 масс. % RO (CaO+MgO), от 14 до 17 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют содержание Fe₂O₃, составляющее менее чем 1 масс. %. Стеклянные композиции, согласно другим вариантам осуществления, могу содержать менее чем 0,7 масс. % Fe₂O₃.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции являются пригодными для формования волокон. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют температуру формования (TF), составляющую от 1120°C до приблизительно 1300°C. При использовании в настоящем документе термин «температура формования» означает температуру, при которой стеклянная композиция имеет вязкость, составляющую 1000 пуаз (или «температуру log 3»). Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции являются пригодными для формования волокон при температуре формования. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют температуру ликвидуса (TL), составляющую от приблизительно 1020°C до приблизительно 1240°C. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, разность между температурой формования и температурой ликвидуса стеклянной композиции составляет от приблизительно 45°C до приблизительно 165°C. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, разность между температурой формования и температурой ликвидуса стеклянной композиции составляет, по меньшей мере, 65°C.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют плотность расплава при температуре формования, составляющую от 2,35 г/см³ до 2,40 г/см³. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция имеет плотность расплава, составляющую от 2,36 г/см³ до 2,38 г/см³.

Стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, имеют поверхностное натяжение расплава при температуре формования, составляющее от приблизительно 390×10^-3 Н/м до 400×10^-3 Н/м.

Как предусмотрено в настоящем документе, стеклянные волокна могут быть изготовлены из стеклянных композиций согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, волокна, изготовленные из стеклянных композиций, имеют модуль упругости (E), составляющий от приблизительно 53 ГПа до приблизительно 65 ГПа. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, волокна, изготовленные из стеклянных композиций, имеют удельную прочность, составляющую от 1,30 до 1,35×10⁵ м. Волокна, изготовленные из стеклянных композиций, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, также демонстрируют устойчивость к кислотной и щелочной коррозии. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, например, волокно, изготовленное из стеклянной композиции, имеет потерю массы (масс. %), составляющую от приблизительно 0,55 до приблизительно 0,60, когда на нее воздействует раствор 1 н. H₂SO₄ (pH 0) при 100°C в течение одного часа. Согласно еще одному варианту осуществления, волокно, изготовленное из стеклянной композиции, настоящего изобретения проявляет потерю массы (масс. %), составляющую приблизительно от 0,25 до 0,30, когда на нее воздействует раствор 0,1 н. NaOH (pH 12) при 100°C в течение одного часа.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна могут быть непрерывными. Согласно некоторым вариантам осуществления, из множества стеклянных волокон можно изготавливать нить. Согласно некоторым вариантам осуществления, из множества стеклянных волокон или из множества стекловолоконных нитей можно изготавливать ровинг. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают пряжу, изготовленную из множества стеклянных волокон. Хотя волокна или множества волокон могут называться непрерывными, обычные специалисты в данной области техники понимают, что стеклянные волокна (и, аналогичным образом, стекловолоконные нити или ровинги), которые называются непрерывными, не имеют бесконечную длину, поскольку, например, в процессе производства возникают обрывы, стеклянные волокна сматывают в упаковки и т.д.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают рубленые стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению. Как изложено ниже, стеклянные волокна согласно настоящему изобретению могут быть рублеными, имея различную длину в зависимости от ряда факторов, включающих, например, желательное использование стеклянных волокон. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна могут иметь длину, составляющую менее чем приблизительно 105 мм. Стеклянные волокна, согласно некоторым вариантам осуществления, могут иметь длину, составляющую менее чем приблизительно 13 мм. Стеклянные волокна, согласно некоторым вариантам осуществления, могут быть рублеными и иметь длину, составляющую более чем приблизительно 3 мм. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянные волокна могут быть рублеными и иметь длину, составляющую более чем приблизительно 50 мм. Согласно некоторым вариантам осуществления, множество рубленых стеклянных волокон могут представлять собой рубленые во влажном состоянии стеклянные волокна, например, стеклянные волокна, на поверхности которых не полностью высыхает замасливающая композиция (или другая покровная композиция).

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают полотна, содержащие множество стеклянных волокон, изготовленных из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению. Такие полотна могут представлять собой тканые полотна согласно некоторым вариантам осуществления и нетканые полотна согласно другим вариантам осуществления.

Стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению можно использовать в разнообразных армированных изделиях. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна используются, чтобы армировать полимеры, в том числе термопластичные и термоотверждаемые полимеры. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций, используются, чтобы армировать строительные материалы, в том числе, но не ограничиваясь этим, цементные и кровельные системы, а также кровельные плитки. Другие приложения описаны в настоящем документе.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают полимерный композит, содержащий полимерный материал и множество стеклянных волокон в полимерном материале, причем множество стеклянных волокон изготавливают из стеклянной композиции согласно настоящему изобретению. Полимерный материал может представлять собой термопластичный полимер согласно некоторым вариантам осуществления и термореактивный полимер согласно другим вариантам осуществления. Стекловолокна, по меньшей мере, одного вида могут быть рублеными, как изложено выше и имеют различную длину, например, в зависимости от конкретного полимерного композита. Например, множество стеклянных волокон могут иметь длину, составляющую менее чем приблизительно 105 мм согласно некоторым вариантам осуществления и менее чем приблизительно 13 мм согласно другим вариантам осуществления. Множество стеклянных волокон могут иметь длину, составляющую более чем приблизительно 50 мкм согласно некоторым вариантам осуществления, более чем приблизительно 3 мм согласно другим вариантам осуществления и более чем приблизительно 50 мм согласно следующим вариантам осуществления. Согласно некоторым вариантам осуществления, из множества стеклянных волокон может быть изготовлено тканое полотно и/или нетканое полотно.

Согласно другому аспекту, настоящее изобретение предусматривает способы изготовления стеклянных композиций из исходных композиций, в которых содержатся в значительных количествах один или несколько стеклообразных минералов, в том числе перлит и/или пемза.

Согласно одному варианту осуществления, способ изготовления стеклянная композиция настоящего изобретения включает изготовление исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 10 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %, и нагревание исходной композиции до температуры, достаточной для изготовления стеклянной композиции. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника, одновременно содержащего кремний и алюминий. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника кремния. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника алюминия. Согласно некоторым вариантам осуществления, количество стеклообразного минерала в исходной композиции составляет, по меньшей мере, 50 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция нагревается до температуры, составляющей от приблизительно 1400°C до приблизительно 1450°C.

Эти и другие варианты осуществления более подробно представлены в подробном описании, которое приведено ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет результаты высокотемпературного дифференциального термического анализа (ДТА) и сравнительное превращение твердой фазы в жидкую фазу для тонкодисперсного перлита и крупнодисперсного перлита согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует устройство, используемое для определения вязкости расплавленных стеклянных композиций согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 иллюстрирует положение термопары и число витков нагревательной спирали печи, используемой для определения температуры ликвидус (TL) стеклянных композиций согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 представляет кривые температурной зависимости вязкости стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, а также двух имеющихся в продаже композиций E-стекла и композиции C-стекла.

Фиг. 5 представляет поверхностное натяжение расплавленного стекла как функцию температуры для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения и двух имеющихся в продаже композиций E-стекла.

Фиг. 6 представляет график плотности расплава или расплавленного стекла как функцию температуры для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения и двух имеющихся в продаже композиций E-стекла.

Фиг. 7 представляет график удельной электропроводности как функцию температуры для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, а также для композиций E-стекла и C-стекла.

Фиг. 8 представляет расход энергии для превращения нескольких исходных композиций в расплавленные стеклянные композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 представляет график спектр поглощения для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, а также для композиций E-стекла и C-стекла. В верхнем углу фиг. 9 проиллюстрирована температурная зависимость вязкости для разнообразных стекол.

Фиг. 10 представляет график, иллюстрирующий потерю массы с течением времени для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, а также для разнообразных композиций E-стекла при помещении в раствор 1 н. H₂SO₄.

Фиг. 11 представляет график, иллюстрирующий потерю массы с течением времени для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, а также для не содержащей бора композиции E-стекла при помещении в растворы серной и лимонной кислоты.

Фиг. 12 кратко представляет статистический анализ Вейбулла (Weibull) для прочности волокна из разнообразных стеклянных композиций согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13 представляет график, иллюстрирующий устойчивость к гидролизу для стеклянной композиции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, а также композиций E-стекла и C-стекла.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Если не приведены другие условия, численные параметры, которые приведены в следующем описании, представляют собой приблизительные значения, которые могут изменяться в зависимости от желательных свойств, которые должны быть получены посредством настоящего изобретения. По меньшей мере, без намерения ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы настоящего изобретения, каждый численный параметр следует истолковывать, по меньшей мере, в свете числа приведенных значащих цифр с применением обычных способов округления.

Несмотря на то, что численные интервалы и параметры, которые создают широкий объем настоящего изобретения, представляют собой приблизительные значения, численные значения, которые приведены в конкретных примерах, представлены с максимальной возможной точностью. Любое численное значение, однако, содержит свойственные ему определенные ошибки, которые неизбежно возникают вследствие среднеквадратического отклонения, обнаруженного в соответствующих результатах измерений. Кроме того, все интервалы, описанные в настоящем документе, следует понимать как объединяющие любые и все входящие в них отрезки. Например, приведенный интервал «от 1 до 10» следует рассматривать как включающий любые и все отрезки, расположенные между (включая предельные значения) минимальным значением, составляющим 1, и максимальным значением, составляющим 10; то есть все отрезки, начиная от минимального значения, составляющего 1 или более, например, от 1 до 6,1, и заканчивая максимальным значением, составляющим 10 или менее, например, от 5,5 до 10. Кроме того, любой цитируемый документ, определенный как «включенный в настоящий документ» следует понимать как включенный во всей своей полноте.

Кроме того, следует отметить, что при использовании в настоящем описании вводимые определенным и неопределенными артиклями формы единственного числа включают формы множественного числа, если определенно и однозначно не приведено ограничение единственным числом.

Согласно определенным вариантам осуществления настоящего изобретения, могут использоваться разнообразные термодинамические и технологические преимущества, которые стеклообразные минералы придают стеклянным композициям для получения желательных свойств. Согласно одному аспекту, настоящее изобретение предусматривает стеклянные композиции, изготовленные из исходной композиции, в которой содержатся в значительных количествах один или несколько стеклообразных минералов, в том числе перлит и/или пемза. Стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления могут представлять собой волокнообразующие стеклянные композиции. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций, могут демонстрировать полезные свойства, в том числе, но не ограничиваясь этим, механические характеристики и свойства устойчивости к коррозии, которые являются такими же или лучшими по сравнению со свойствами стеклянных волокон, изготовленных из композиций предшествующего уровня техники, таких как композиции E-стекла и C-стекла.

Разнообразные варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают стеклянные композиции, включающие, без ограничения, волокнообразующие стеклянные композиции. Согласно некоторым вариантам осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, изготовленную из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 10 масс. % стеклообразного минерала, и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 25 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 40 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, изготовленную из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 50 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 65 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 68 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклообразный минерал, содержащий сочетание SiO₂ и Al₂O₃, представляет собой перлит, пемзу или их смеси.

Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 10 масс. % источника натрия. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 12 масс. % источника натрия. В подходящем источнике натрия для использования в исходных композициях, согласно некоторым вариантам осуществления и настоящего изобретения, содержится карбонат натрия (сода).

Согласно некоторым вариантам осуществления, таким как, например, композиции, в которых используются пониженные количества стеклообразного минерала, исходный материал может содержать дополнительный источник или источники кремния и/или алюминия. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, исходный материал может содержать, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника, одновременно содержащего кремний и алюминий. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, дополнительный источник, одновременно содержащий кремний и алюминий, представляет собой содержащий алюминий силикатный минерал, такой каолинит, диккит, галлуазит, накрит, монтмориллонит, или алюмосиликаты щелочных металлов. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % источника кремния. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, источник кремния может представлять собой содержащий кремний минерал, такой как кремнезем. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % источника алюминия. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, источник алюминия может представлять собой содержащий алюминий минерал, такой как корунд.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,5.

Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент R₂O не ограничивается единственным соединением, но может содержать несколько соединений. Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент R₂O содержит Na₂O, K₂O, Li₂O или их смеси. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления и без ограничения, компонент R₂O может представлять собой только Na₂O, только K₂O, только, Li₂O, сочетание Na₂O и K₂O, сочетание K₂O и Li₂O, сочетание Na₂O и Li₂O, или сочетание Na₂O, K₂O и Li₂O.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция содержит Na₂O в количестве, составляющем от 6,5 масс. % до приблизительно 16 масс. %. Стеклянная композиция, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит Na₂O в количестве, составляющем от 9 масс. % до 14 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, стеклянная композиция содержит Na₂O в количестве, составляющем от 9 масс. % до 13 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит Na₂O в количестве, составляющем от 10 масс. % до 12,5 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция содержит K2O в количестве, составляющем от 0,5 масс. % до 5 масс. %. Стеклянная композиция, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, содержит K₂O в количестве, составляющем от 0,5 масс. % до 4 масс. %. Стеклянная композиция, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, содержит K₂O в количестве, составляющем от 2 масс. % до 4 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит K₂O в количестве, составляющем от 2,5 масс. % до 3,5 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция содержит Li₂O в количестве, составляющем вплоть до 2 масс. %. Стеклянная композиция, согласно еще одному варианту осуществления, содержит Li₂O в количестве, составляющем от 0,5 масс. % до 1,5 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент RO содержит MgO, CaO, SrO, BaO или ZnO или их смеси. Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент RO может содержать только MgO, только CaO, только SrO, только BaO или только ZnO. Согласно некоторым вариантам осуществления, компонент RO может содержать любое сочетание двух или более оксидов металлов, в том числе MgO, CaO, SrO, BaO и ZnO. Компонент RO, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, присутствует в стеклянной композиции в количестве, составляющем от 7 масс. % до 31 масс. %.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция содержит MgO в количестве, составляющем вплоть до 5 масс. %. Стеклянная композиция, согласно еще одному варианту осуществления, содержит MgO в количестве, составляющем от 1 масс. % до 4 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит MgO в количестве, составляющем от 2 масс. % до 3 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит MgO в количестве, составляющем менее чем 1 масс. %. Стеклянная композиция, согласно некоторым вариантам осуществления, содержит MgO в количестве, составляющем менее чем 0,5 масс. %

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянная композиция содержит CaO в количестве, составляющем от 7 масс. % до 26 масс. %. Стеклянная композиция, согласно еще одному варианту осуществления, содержит CaO в количестве, составляющем от 8 масс. % до 20 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит CaO в количестве, составляющем от 8 масс. % до 14 масс. %. Стеклянная композиция, согласно еще одному варианту осуществления, содержит CaO в количестве, составляющем от 10 масс. % до 14 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит CaO в количестве, составляющем от 9 масс. % до 11 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит ZnO в количестве, составляющем вплоть до 3 масс. %.

Стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, содержат оксиды металлов в качестве дополнения RO, в том числе, но не ограничиваясь этим, ZrO₂, TiO₂, MnO₂ или La₂O₃ или их смеси. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция может содержать ZrO₂ в количестве, составляющем вплоть до 3 масс. %, TiO₂ в количестве, составляющем вплоть до 3 масс. %, MnO₂ в количестве, составляющем вплоть до 3 масс. % и/или La₂O₃ в количестве, составляющем вплоть до 3 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянная композиция может содержать TiO₂ в количестве, составляющем вплоть до 1 масс. %.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,7.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 56 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 12 до 17 масс. % RO (CaO+MgO), от 12 до 14 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 60 до 64 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 7 до 15 масс. % RO (CaO+MgO), от 13 до 15,5 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стеклянную композицию, содержащую от 55 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 14 масс. % Al₂O₃, от 11 до 16,5 масс. % RO (CaO+MgO), от 14 до 17 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, 0-3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют содержание Fe₂O₃, составляющее менее чем 1 масс. %. Стеклянные композиции, согласно другим вариантам осуществления, могут содержать менее чем 0,7 масс. % Fe₂O₃.

Стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, имеют температуру формования (TF), составляющую от приблизительно 1120°C до приблизительно 1300°C. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют температуру формования, составляющую от приблизительно 1150°C до приблизительно 1250°C. Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянные композиции имеют температуру формования, составляющую от приблизительно 1200°C до приблизительно 1240°C.

Стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, имеют температуру ликвидуса, составляющую от приблизительно 1020°C до приблизительно 1240°C. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют температуру ликвидуса, составляющую от приблизительно 1070°C до приблизительно 1200°C. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют температуру ликвидуса, составляющую от приблизительно 1110°C до приблизительно 1150°C.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, разность между температурой формования и температурой ликвидуса стеклянной композиции составляет от приблизительно 45°C до приблизительно 165°C. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, разность между температурой формования и температурой ликвидуса стеклянной композиции составляет, по меньшей мере, 65°C. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют плотность расплава при температуре формования, составляющую от 2,35 г/см³ до 2,40 г/см³. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции имеют плотность расплава, составляющую от 2,36 г/см³ до 2,38 г/см³. Как обсуждается далее в настоящем документе, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, плотность расплава некоторых стеклянных композиций составляет ниже на 5%-7%, чем плотность расплава некоторых композиций E-стекла. В результате этого стеклянные волокна, изготовленные из некоторых стеклянные композиции согласно настоящему изобретению, имеют меньшую массу единицы объема по сравнению с некоторыми волокнами из E-стекла. Менее плотные стеклянные волокна могут оказываться предпочтительными в многочисленных приложениях, в частности, приложениях для армирования материалов, таких как приложения для армирования полимеров, в которых уменьшение массы часто оказывается в высокой степени желательным. Кроме того, в результате меньшей плотности стеклянные волокна, изготовленные из некоторых стеклянных композиций согласно настоящему изобретению, могут иметь больший диаметр по сравнению с некоторыми волокнами, изготовленными из E-стекла и имеющими такую же массу, и в результате этого обеспечиваются улучшенные механические свойства.

Кроме того, стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, имеют поверхностное натяжение расплава при температуре формования, составляющее от приблизительно 390×10^-3 Н/м до 400×10^-3 Н/м.

Как предусмотрено в настоящем документе, стеклянные композиции согласно настоящему изобретению можно изготавливать из исходных композиций, в которых содержатся в значительном количестве один или несколько стеклообразных минералов, в том числе перлит и/или пемза. При изготовлении из исходных композиций, содержащих значительное количество стеклообразных минералов, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные композиции могут обеспечивать значительную экономию энергии. Как обсуждается далее в настоящем документе, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, для производства расплавленной стеклянной композиции экономится вплоть до 33% энергии по сравнению с энергией, которая требуется для изготовления некоторой расплавленной композиции E-стекла.

Стеклянные композиции согласно настоящему изобретению можно изготавливать, используя несколько способов. Согласно одному варианту осуществления, способ производства стеклянная композиция включает изготовление исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 50 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. % и нагревание исходной композиции до температуры, достаточной для формования расплавленной стеклянной композиции. Согласно другим вариантам осуществления, способ производство стеклянной композиции включает изготовление исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 10 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. % и нагревание исходной композиции до температуры, достаточной для формования расплавленной стеклянной композиции. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция нагревается до температуры, составляющей от приблизительно 1400°C до приблизительно 1450°C. Согласно некоторым вариантам осуществления, таким как, например, варианты, в которых используются меньшие количества стеклообразного минерала, исходный материал может содержать, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника, одновременно содержащего кремний и алюминий. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, источник, одновременно содержащий кремний и алюминий, представляет собой содержащий алюминий силикатный минерал, такой каолинит, диккит, галлуазит, накрит, монтмориллонит, или алюмосиликаты щелочных металлов. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал может содержать, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника кремния. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал может содержать, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника алюминия.

Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 65 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 68 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 25 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 40 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %.

Согласно некоторым вариантам осуществления, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. % представляет собой перлит, пемзу или их смеси. Перлит и/или пемза, которые используются в производстве стеклянных композиций, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, поставляются в измельченной или порошкообразной форме. Согласно некоторым вариантам осуществления, дополнительную экономию энергии можно обеспечивать путем использования в композициях перлита и/или пемзы, содержащих тонкодисперсные частицы, а не частицы более крупных размеров. Фиг. 1 иллюстрирует результаты высокотемпературного дифференциального термического анализа (ДТА), где сопоставляется превращение твердой фазы в жидкую фазу для тонкодисперсного перлита (приблизительно 200 меш или 76 мкм) и крупнодисперсного перлита (приблизительно 45 меш или 354 мкм). Как проиллюстрировано на фиг. 1, для тонкодисперсного перлита требуется меньше энергии в процессе превращения из твердой фазы в жидкую фазу по сравнению с крупнодисперсными перлитом, хотя как тонкодисперсный, так и крупнодисперсный перлит является стеклообразным или аморфным при комнатной температуре. Кроме того, в случае тонкодисперсного перлита образование жидкой фазы начинается при меньшей температуре, чем в случае крупнодисперсного перлита.

Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, исходные композиции содержат, по меньшей мере, 10 масс. % источника натрия. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходные композиции содержат, по меньшей мере, 12 масс. % источника натрия. В подходящем источнике натрия для использования в исходных композициях, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, содержится карбонат натрия (сода).

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, в исходных композициях, используемых для изготовления стеклянных композиций, дополнительно содержатся другие минералы, в том числе, но не ограничиваясь этим, известняк, доломит или их смеси. Согласно одному варианту осуществления, например, в исходной композиции дополнительно содержится вплоть до 17 масс. % известняка. Согласно еще одному варианту осуществления, в исходной композиции дополнительно содержится вплоть до 13 масс. % доломита.

Как предусмотрено в настоящем документе, стеклянные волокна могут быть изготовлены из любых стеклянных композиций согласно настоящему изобретению. Согласно разнообразным вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна можно изготавливать, используя любой известный в технике способ изготовления стеклянных волокон и, желательнее, любой известный в технике способ изготовления практически непрерывных стеклянных волокон.

Например, но не ограничиваясь этим, стеклянные волокна согласно неограничительным вариантам осуществления настоящего изобретения, можно изготавливать, используя непосредственный расплавный или косвенный расплавный способы изготовления волокон. Данные способы являются хорошо известными в технике, и их дополнительное обсуждение не считается необходимым для целей настоящего описания. См., например, работу K.L. Loewenstein «Технология производства непрерывных стеклянных волокон», третье издание, издательство Elsevier, Нью-Йорк, 1993 г., с. 47-48 и 117-234.

Согласно одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее стеклянную композицию, изготовленную из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 50 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 65 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 68 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее стеклянную композицию, изготовленную из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 10 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 25 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 48 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, таким как, например, варианты, в которых используются меньшие количества стеклообразного минерала, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника, одновременно содержащего кремний и алюминий. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника кремния. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходный материал содержит, по меньшей мере, 10 масс. % дополнительного источника алюминия.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,5. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит от 10 до 12 масс. % Al₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,7. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит от 10 до 12 масс. % Al₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее от 56 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 12 до 17 масс. % RO (CaO+MgO), от 12 до 14 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. %

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее от 60 до 64 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 7 до 15 масс. % RO (CaO+MgO), от 13 до 15,5 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O)), от 0 до 2 масс. % Li₂O, 0-3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает стекловолокно, содержащее от 55 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 14 масс. % Al₂O₃, от 11 до 16,5 масс. % RO (CaO+MgO), от 14 до 17 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, волокна, изготовленные из стеклянных композиций, имеют модуль упругости (E), составляющий от приблизительно 53,0 ГПа до приблизительно 65,0 ГПа. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, волокна, изготовленные из стеклянных композиций, имеют модуль упругости (E), составляющий от приблизительно 56 ГПа до приблизительно 62 ГПа. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, волокна, изготовленные из стеклянных композиций, имеют удельную прочность, составляющую от 1,30 до 1,35×10⁵ м.

Волокна, изготовленные из стеклянных композиций, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, также демонстрируют устойчивость к кислотной и щелочной коррозии. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, например, стекловолокно, изготовленное из стеклянной композиции, имеет потеря массы (масс. %), составляющую от 0,55 до 0,60, когда на нее воздействует раствор 1 н. H₂SO₄ (pH 0) при 96°C в течение одного часа. Согласно еще одному варианту осуществления, стекловолокно, изготовленное из стеклянной композиции, настоящего изобретения проявляет потерю массы (масс. %), составляющую от 0,60 до 1,70, когда на нее воздействует раствор 1 н. H₂SO₄ (pH 0) при 96°C в течение одного часа.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, волокно, изготовленное из стеклянной композиции, проявляет потерю массы (масс. %), составляющую от приблизительно 0,25 до приблизительно 0,30, когда на нее воздействует раствор 0,1 н. NaOH (pH 12) при 96°C в течение одного часа. Волокно, изготовленное из стеклянной композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, проявляет потерю массы (масс. %), составляющую от 0,35 до 0,85, когда на нее воздействует раствор 0,1 н. NaOH (pH 12) при 96°C в течение одного часа.

Хотя это не ограничивается в настоящем документе, стеклянные волокна согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения могут оказаться полезными для изготовления конструкционных армированных изделий. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна используются для армирования полимеров, в том числе термопластичных и термореактивных полимеров. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций, можно использовать для армирования строительных материалов, в том числе, но не ограничиваясь этим, цементные и кровельные системы, такие как кровельные плитки. Другие применения и приложения для стеклянных волокон, изготовленных из стеклянных композиций, согласно разнообразным вариантам осуществления настоящего изобретения, обсуждаются ниже.

Согласно одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материал, причем в стекловолокне, по меньшей мере, одного вида содержится стеклянная композиция, изготовленная из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 50 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 65 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 68 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материале, причем в стекловолокне, по меньшей мере, одного вида содержится стеклянная композиция, изготовленная из исходной композиции, содержащей, по меньшей мере, 10 масс. % стеклообразного минерала и, по меньшей мере, 5 масс. % источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 25 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %. Согласно еще одному варианту осуществления, исходная композиция содержит, по меньшей мере, 40 масс. % стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем, по меньшей мере, 80 масс. %.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материале, причем стекловолокно, по меньшей мере, одного вида содержит от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃, от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,5. Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материале, причем стекловолокно, по меньшей мере, одного вида содержит от 53 до 64 масс. % SiO₂, от 8 до 12 масс. % Al₂O₃,от 8,5 до 18 масс. % компонента оксида щелочного металла (R₂O) и компонента оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,15 до приблизительно 1,7. Согласно некоторым таким вариантам осуществления, стеклянная композиция содержит от 10 до 12 масс. % Al₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материале, причем стекловолокно, по меньшей мере, одного вида, содержит от 56 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 12 до 17 масс. % RO (CaO+MgO), от 12 до 14 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материале, причем стекловолокно, по меньшей мере, одного вида, содержит от 60 до 64 масс. % SiO₂, от 9 до 12 масс. % Al₂O₃, от 7 до 15 масс. % RO (CaO+MgO), от 13 до 15,5 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно еще одному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает полимерный композит, содержащий полимерный материал и стекловолокно, по меньшей мере, одного вида в полимерном материале, причем стекловолокно, по меньшей мере, одного вида содержит от 55 до 63 масс. % SiO₂, от 9 до 14 масс. % Al₂O₃, от 11 до 16,5 масс. % RO (CaO+MgO), от 14 до 17 масс. % R₂O (Na₂O+K₂O), от 0 до 2 масс. % Li₂O, от 0 до 3 масс. % ZnO, от 0 до 3 масс. % ZrO₂, от 0 до 3 масс. % MnO₂ и от 0 до 3 масс. % La₂O₃.

Согласно разнообразным вариантам осуществления настоящего изобретения, полимерные композиты можно изготавливать, используя любой известный в технике способ изготовления полимерных композитов. Например, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, полимерные композиты можно изготавливать, пропитывая тканые полотна или нетканые полотна или маты из стеклянных волокон полимерным материалом, а затем отверждая полимерный материал. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, непрерывные стеклянные волокна и/или рубленые стеклянные волокна, содержащие стеклянные композиции, можно помещать в полимерный материал. В зависимости от природы полимерного материала, полимерный материал можно отверждать после помещения в него непрерывных или рубленых стеклянных волокон.

Далее будут обсуждаться примерные применения и приложения для стеклянных волокон, изготовленных из стеклянных композиций согласно разнообразным вариантам осуществления настоящего изобретения. Потенциальные применения и приложения, а также свойства стеклянных волокон, которые представлены ниже, не предназначаются в качестве исключительных, и обычные специалисты в данной области техники могут, как правило, определять другие применения и приложения для таких стеклянных волокон, а также изменения диаметра волокон и линейной плотности (г/км) стекловолоконных изделий для использования в таких приложениях.

Рубленые во влажном состоянии волокна

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций, можно выпускать как рубленые во влажном состоянии волокна для использования, например, в кровельных и автомобильных приложениях. Например, стеклянные волокна согласно настоящему изобретению можно выпускать как рубленые во влажном состоянии волокна, имеющие значения диаметра и длины, подходящие для таких разнообразных применений. Неограничительные примеры свойств разнообразных рубленых стеклянных волокон представлены ниже в таблице 1:

Таблица 1 Номер изделия Номинальная линейная плотность (г/км) Номинальный диаметр волокна (мкм) Номинальная длина рубленого волокна (дюймов) 1 1747 13 0,5 2 3352 19 0,75 3 2505 17 1,375 4 2505 17 1,75 5 1747 13 0,75 6 1747 13 0,75 7 2505 17 1,375 8 2505 17 1,25

Как правило, такие изделия могут иметь широкое применение как армированные изделия. Изделия №№1 и 2 можно использовать, в качестве примера и без ограничения, в высококлассных легковесных полипропиленовых армированных изделиях, таких как автомобильные облицовки и приборные панели. Изделия №№3-5 можно использовать, в качестве примера и без ограничения, в армированных кровельных плитках жилых строений, и, согласно некоторым вариантам осуществления, они могут обеспечивать желательные значения прочности при растяжении и разрыве. Изделие № 6 можно использовать, в качестве примера и без ограничения, в высококлассных промышленных армированных кровельных плитках, и, согласно некоторым вариантам осуществления, они могут обеспечивать желательные значения прочности при растяжении и разрыве. Изделия №№7 и 8 можно использовать, в качестве примера и без ограничения, в высококлассных армированных кровельных плитках жилых строений, и, согласно некоторым вариантам осуществления, они могут обеспечивать желательные значения прочности при растяжении и разрыве.

Разнообразные замасливающие композиции, которые известны специалистам в данной области техники, можно использовать для таких стекловолоконных изделий в зависимости от типа изделия, совместимости с полимерной системой, подлежащей армированию, конечного целевого изделия, последующих технологических стадий и других факторов. Например, в связи с армированными кровельными плитками, можно выбирать замасливающие композиции, которые являются совместимыми кислыми системами сточных вод целлюлозно-бумажного производства. В качестве следующего примера, могут быть разработаны замасливающие композиции для совместимости с производством армированного полипропилена.

Изделия из ровинга и ровинга для напыления

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций, можно изготавливать как прямой стеклянный ровинг или ровинг для напыления. Прямой стеклянный ровинг следует понимать как содержащий единый пучок непрерывных волокон, объединенных в дискретную нить. Ровинг для напыления можно изготавливать, используя множество прямых стеклянных ровингов, например, путем сборки прямых стеклянных ровингов в пучок ровингов. Прямой стеклянный ровинг и ровинг для напыления, содержащий такие стеклянные волокна, согласно некоторым вариантам осуществления, можно использовать в применениях, в которых желательной является устойчивость к коррозии. Неограничительные примеры таких применений могут включать решетчатый настил, настилочные панели, дверные панели грузовиков, плиты для крепления, компоненты для обработки сточных вод и другие конструкционные формы. Прямой стеклянный ровинг, содержащий стеклянные волокна согласно настоящему изобретению, можно использовать в ряде последующих технологических процессов, в том числе, без ограничения, таких как намотка нитей, многоосевое плетение, пултрузия и другие процессы, в которых используется прямой стеклянный ровинг. Неограничительные примеры разнообразного прямого стеклянного ровинга или стекловолоконного ровинга для напыления представлены ниже в таблице 2:

Таблица 2 Номер изделия Номинальная линейная плотность (г/км) Номинальный диаметр волокна (мкм) 9 1100 17 10 600 17 11 2400 17 12 2400 17 13 1200 17 14 1200 17 15 4400 24 16 1984 17 17 240 12 18 240 12

Как правило, такие изделия могут иметь широкое применение в качестве армирования. Изделия №№9-11, 13, 15 и 16 могут представлять собой непрерывные волокна, однонитевые ровинги, которые можно использовать в приложениях пултрузии. Такие изделия можно использовать, чтобы армировать, например, сложнополиэфирные, сложные винилэфирные и эпоксидные полимеры. Таким образом, согласно некоторым таким вариантам осуществления, эти изделия можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой с разнообразными полимерными системами, включая, без ограничения, сложнополиэфирные, сложные винилэфирные и эпоксидные полимеры. Примеры конечных изделий, получаемых в результате процессов пултрузии, включают, без ограничения, решетчатый настил, настилочные панели, дверные панели грузовиков, плиты для крепления, компоненты для обработки сточных вод и другие стандартные конструкционные формы.

Изделия №№ 12 и 14 могут представлять собой непрерывные волокна, однонитевые ровинги, которые можно использовать в приложениях намотки волокон, пултрузии, плетения и изготовления и нетканого полотна. Такие изделия можно использовать, чтобы армировать, например, сложнополиэфирные, сложные винилэфирные и эпоксидные полимеры. Таким образом, согласно некоторым таким вариантам осуществления, эти изделия можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой с разнообразными полимерными системами включая, без ограничения, сложнополиэфирные, сложные винилэфирные и эпоксидные полимеры.

Изделие 17 представляет собой пример изделия, которое можно использовать как ровинг для напыления в контактных формовочных приложениях. Согласно некоторым вариантам осуществления, данное изделие может быть предназначено для использования с ненасыщенными сложнополиэфирными полимерными системами, и оно может оказаться подходящим для использования с широким разнообразием распылительного оборудования. Таким образом, согласно некоторым таким вариантам осуществления, данное изделие можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой с ненасыщенным сложнополиэфирным полимером, обеспечивая при этом быстрого смачивания и полного пропитывания.

Изделие 18 представляет собой стекловолоконную нить, с которой могут сочетаться другие нити, образуя высококлассный ровинг для использования в имеющих длинные лезвия режущих системах, чтобы производить, в качестве примера и без ограничения, тонкие равномерно распределенные рубленые волокнистые слои на ориентированных по нескольким осям, однонаправленных и/или статистически ориентированных армирующих матах. Согласно некоторым вариантам осуществления, данное изделие можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой со сложнополиэфирными и эпоксидными полимерными системами.

Как указано выше, разнообразные замасливающие композиции, которые известны специалистам в данной области техники, можно использовать для таких стекловолоконных изделий в зависимости от типа изделия, совместимости с полимерной системой, подлежащей армированию, конечного целевого изделия, последующих технологических стадий и других факторов.

Изделия из рубленых нитей

Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению можно выпускать как рубленые нити для использования в широком разнообразии полимерных систем и производственных процессов. Согласно некоторым вариантам осуществления, рубленые нити можно использовать, чтобы изготавливать композиты, для которых устойчивость к гидролизу является желательной. Неограничительные примеры свойств разнообразных рубленых стеклянных волокон представлены ниже в таблице 3:

Таблица 3 Номер изделия Номинальная линейная плотность (г/км) Номинальный диаметр волокна (мкм) Номинальная длина рубленого волокна (дюймов) 19 889 10 0,125 20 1747 13 0,125 21 1747 13 0,125

Как правило, такие изделия могут иметь широкое применение для армирования. Изделие №19 представляет собой рубленую нить, которую можно использовать, чтобы армировать, например, широкое разнообразие полиамидных полимеров. Таким образом, согласно некоторым таким вариантам осуществления, данное изделие можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой с разнообразными полиамидными полимерами. Согласно некоторым вариантам осуществления, в данном изделии могут сочетаться превосходные загрузочные характеристики, высокий блеск, и/или желательные механические свойства в сухом состоянии после формования. Согласно некоторым вариантам осуществления, данное изделие, может обеспечивать желательную устойчивость к гидролизу в системах охлаждения на основе этиленгликоля и/или желательные характеристики ударопрочных полимеров. Примеры потенциальных целевых конечных изделий, содержащих данное изделие, могут включать, без ограничения, детали транспортных средств, детали электрических и электронных приборов, а также корпуса и компоненты компьютеров.

Изделие №20 представляет собой рубленую нить, которую можно использовать, чтобы армировать, например, разнообразные термопластичные сложнополиэфирные полимеры. Данное изделие может также обеспечивать желательные армирующие свойства при армировании других термопластичных полимеров, включая, без ограничения, сополимеры стирола, поликарбонатные полимеры, полибутилентерефталатные (PBT) полимеры, полиэтилентерефталатные (PET) полимеры, полиоксиметиленовые (POM) полимеры и полифениленсульфидные (PPS) полимеры. Таким образом, согласно некоторым таким вариантам осуществления, данное изделие можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой с такими полимерами. Примеры потенциальных целевых конечных изделий, содержащих данное изделие, могут включать, без ограничения, детали транспортных средств, детали электрических и электронных приборов, а также корпуса и компоненты компьютеров.

Изделие №21 представляет собой рубленую нить, которую можно использовать, чтобы армировать, например, разнообразные термопластичные полибутилентерефталатные (PBT) полимеры. Таким образом, согласно некоторым таким вариантам осуществления, данное изделие можно покрывать замасливающей композицией, которая является совместимой с такими полимерами. Данное изделие можно использовать, в качестве примера и без ограничения, для изготовления высококлассных изделий, для которых являются важными механические свойства. Согласно некоторым вариантам осуществления, в данном изделии могут сочетаться превосходные загрузочные характеристики, высокий блеск, желательная устойчивость к гидролизу и/или желательные механические свойства в сухом состоянии после формования. Примеры потенциальных целевых конечных изделий, содержащих данное изделие, могут включать, без ограничения, детали транспортных средств, детали электрических и электронных приборов, а также корпуса и компоненты компьютеров.

Как указано выше, разнообразные замасливающие композиции, которые известны специалистам в данной области техники, можно использовать для таких стекловолоконные изделий в зависимости от типа изделия, совместимости с полимерной системой, подлежащей армированию, конечного целевого изделия, последующих технологических стадий и других факторов.

Специальные пряжи

Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению можно выпускать как пряжи для использования в тканых полотнах. Такие полотна можно использовать, например, в фильтрационных устройствах, термоустойчивых приложениях и для других промышленных целей. Неограничительные примеры свойств разнообразной пряжи представлены ниже в таблице 4:

Таблица 4 Номер изделия Номинальная линейная плотность (г/км) Номинальный диаметр волокна (мкм) Кручение 22 66 6,5 1,0Z 23 136 10 0,7Z 24 66 6,5 1,0Z 25 34 10 1,0Z 26 300 13 0,5Z

Пряжи могут представлять собой текстурированные пряжи или шпулечные/крученые пряжи в зависимости от желательного применения. Текстурированные пряжи известны специалистам в данной области техники как непрерывные однониточные или многониточные изделия, которые имеют увеличенный объем, чтобы обеспечивать увеличенные размеры, толщину и площадь покрытия в расчете на единицу массы по сравнению со стандартными стекловолоконными пряжами. Такие текстурированные пряжи можно использовать, например, чтобы ткать термоустойчивые и фильтровальные полотна, а также для других промышленных целей.

Шпулечные пряжи, как правило, представляют собой однониточные пряжи из непрерывных волокон, которые скручивают и наматывают на шпульки. Такие пряжи могут иметь высокую термическую устойчивость, низкое влагопоглощение и/или превосходные электрические свойства.

Разнообразные замасливающие композиции, которые известны специалистам в данной области техники, можно также использовать для таких стекловолоконных изделий в зависимости от типа изделия, совместимости с полимерной системой, подлежащей армированию, конечного целевого изделия, последующих технологических стадий и других факторов.

Длинноволоконное армирование термопластичных материалов

Согласно некоторым вариантам осуществления, стеклянные волокна, изготовленные из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению, можно выпускать как длинноволоконные армирующие изделия (например, имеющие длину, составляющую 3 мм или более согласно некоторым вариантам осуществления, более чем 50 мм согласно некоторым вариантам осуществления или вплоть до приблизительно 25 мм согласно некоторым вариантам осуществления). Такие длинноволоконные армирующие изделия можно использовать, например, чтобы армировать термопластичные полимеры, такие как термопластичный полиэтилен и полипропилен, а также термопластичные сложнополиэфирные полимеры, такие как полибутилентерефталат (PBT) или полиэтилентерефталат (PET). Длинноволоконные армирующие изделия можно применять, например, в технологических процессах, включающих гранулярные длинные волокна (G-LFT), технологических процессах, включающих прямые длинные волокна, и/или технологических процессах, включающих непрерывные длинные волокна (C-LFT). Один неограничительный пример свойств стекловолокна для таких применений представлен ниже в таблице 5:

Таблица 5 Номер изделия Номинальная линейная плотность (г/км) Номинальный диаметр волокна (мкм) 27 2400 17

Стекловолоконные изделия можно использовать в разнообразных технологических процессах, включающих длинные волокна (LFT), чтобы армировать термопластичные полимеры, а также, согласно некоторым вариантам осуществления, это может способствовать изготовлению путем формования основных или вспомогательных конструкционных изделий. Некоторые из таких изделий могут представлять собой, автомобильные приборные панели, внутренние дверные панели и напольные покрытия.

Разнообразные замасливающие композиции, которые известны специалистам в данной области техники, можно также использовать для таких стекловолоконных изделий в зависимости от типа изделия, совместимости с полимерной системой, подлежащей армированию, конечного целевого изделия, последующих технологических стадий и других факторов.

Далее разнообразные неограничительные варианты осуществления настоящего изобретения будут проиллюстрированы на следующих неограничительных примерах.

Примеры

Стеклянные композиции примеров 1-6 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице I, изготавливали, составляя смеси ингредиентов, содержащие от 65 до 72 масс. % перлита, от 0 до 22 масс. % доломита, от 6 до 35 масс. % известняка и от 0 до 8 масс. % соды. Конкретные количества перлита, доломита, известняка и/или соды, которые использовали для изготовления композиций в примерах 1-6, определяли, принимая во внимание параметры состава каждого минерала по отношению к желательным параметрам состава каждой стеклянной композиции. Смеси минералов затем нагревали до температуры, составляющей приблизительно 1400°C, чтобы получить расплавленные стеклянные композиции. Расплавленные стеклянные композиции охлаждали, получая стеклянные композиции примеров 1-6.

Стеклянные композиции примеров 7-13 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице II, изготавливали, составляя смеси ингредиентов, содержащие от 69 до 71 масс. % перлита, от 6 до 20 масс. % известняка и от 7 до 10 масс. % соды. Конкретные количества перлита, известняка и соды, которые использовали для изготовления композиций в примерах 7-13, определяли, принимая во внимание параметры состава каждого минерала по отношению к желательным параметрам состава каждой стеклянной композиции. Смеси минералов затем нагревали до температуры, составляющей от приблизительно 1400°C, чтобы получить расплавленные стеклянные композиции. Расплавленные стеклянные композиции охлаждали, получая стеклянные композиции примеров 7-13.

Стеклянные композиции примеров 14-19 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице III, изготавливали, составляя смеси ингредиентов, содержащие от 69 до 72 масс. % перлита, от 0 до 13 масс. % доломита, от 3 до 17 масс. % известняка и от 7 до 10 масс. % соды. Конкретные количества перлит, известняк, сода и/или доломит, которые использовали для изготовления композиций в примерах 14-19, определяли, принимая во внимание параметры состава каждого минерала по отношению к желательным параметрам состава каждой стеклянной композиции.

Смеси минералов затем нагревали до температуры, составляющей приблизительно 1400°C, чтобы получить расплавленные стеклянные композиции. Расплавленные стеклянные композиции охлаждали, получая стеклянные композиции примеров 14-19.

Стеклянные композиции примеров 20-37 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице IV, изготавливали, составляя смеси ингредиентов, содержащие от 68 до 73 масс. % перлита, от 0 до 13 масс. % доломита, от 4 до 16 масс. % известняка и от 12 до 17 масс. % соды. Конкретные количества перлита, известняка, соды и/или доломита, которые использовали для изготовления композиций в примерах 20-37, определяли, принимая во внимание параметры состава каждого минерала по отношению к желательным параметрам состава каждой стеклянной композиции. Смеси минералов затем нагревали до температуры, составляющей приблизительно 1400°C, чтобы получить расплавленные стеклянные композиции. Расплавленные стеклянные композиции охлаждали, получая стеклянные композиции примеров 20-37.

Стеклянную композицию примера 38, которая представлена в таблице V, изготавливали таким же образом как стеклянную композицию приведенного выше примера 12, за исключением того, что использовали 1 масс. % Li₂O, чтобы заменить 1 масс. % Na₂O, и любой Sb₂O₃, используемый для осветления, удалялся. Стеклянную композицию примера 39, которая представлена в таблице V, изготавливали таким же образом как стеклянную композицию приведенного выше примера 12, за исключением того, что использовали ZnO, чтобы заменить 1 масс. % Na₂O и 1 масс. % CaO, и любой Sb₂O₃, используемый для осветления, удалялся.

Стеклянные композиции примеров 40-71 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице VI изготавливали таким же образом как стеклянную композицию приведенного выше примера 12, за исключением того, что эти стеклянные композиции составляли, включая разнообразные сочетания Li₂O, La₂O₃, MnO₂, TiO₂, ZnO и ZrO₂. Разнообразные количества Li₂CO₃, La₂O₃, MnO₂, TiO₂, ZnO и ZrO₂ вводили в исходную композицию примера 12, чтобы получить композиции примеров 39-70. Кроме того, каждая из стеклянных композиций примеров 39-70 также содержала 0,09 масс. % SO₃, от 0,27 до 0,28 масс. % F и от 0,53 до 0,55 масс. % Fe₂O₃.

Стеклянные композиции примеров 72-74 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице VII, можно изготавливать, составляя смеси ингредиентов, содержащие от 11 до 41 масс. % перлита, от 0 до 55 масс. % доломита, от 12 до 17 масс. % известняка, от 0 до 30 масс. % щелочного алюмосиликатного минерала, от 34 до 56 масс. % диоксида кремния, от 0 до 19 масс. % глины (каолинита) и от 1 до 3 масс. % оксида железа. Конкретные количества перлита, доломита, щелочного алюмосиликатного минерала, диоксида кремния, глины и/или оксида железа, которые использовали для изготовления композиций в примерах 72-74, определяли, принимая во внимание параметры состава каждого минерала по отношению к желательным параметрам состава каждой стеклянной композиции. Смеси минералов нагревали до температуры, составляющей приблизительно 1400°C, чтобы получить расплавленные стеклянные композиции. Расплавленные стеклянные композиции охлаждали, получая стеклянные композиции примеров 72-74.

Стеклянные композиции примеров 75 и 76 согласно настоящему изобретению, которые представлены в таблице VIII, можно изготавливать, составляя смеси ингредиентов, содержащие от 69,8 до 70,4 масс. % перлита, от 13,3 до 14,3 масс. % кальцинированной соды и от 15,4 до 17,1 масс. % известняка. В примере 76 добавляли 0,3 масс. % диоксида марганца. Конкретные количества перлита, кальцинированной соды, известняка и диоксида марганца, которые использовали для изготовления композиций примеров 75 и 76, определяли, принимая во внимание параметры состава каждого минерала по отношению к желательным параметрам состава стеклянной композиции. Смеси минералов нагревали до температуры, составляющей приблизительно 1400°C, чтобы получить расплавленные стеклянные композиции. Расплавленные стеклянные композиции охлаждали, получая стеклянные композиции примеров 75 и 76.

I. Свойства расплава

Исследовали свойства расплава нескольких стеклянных композиций примеров 1-71. Исследование свойств расплава стеклянных композиций согласно настоящему изобретению способствовало определению того, как разнообразные параметры состава влияют на технологические условия, включая температуры формования (TF) и температуры ликвидуса (TL) стеклянных композиций.

Измерение вязкости расплава для определения температуры формования разнообразных стеклянных композиций согласно настоящему изобретению осуществляли, используя противовесный способ в интервале вязкости от 10² до 10⁵ пуаз. Устройство, применяемое для осуществления данного способа, калибровали, используя соответствующее стандарту NIST стекло. Фиг. 2 представляет схему данного устройства.

Устройство (1) для измерения вязкость расплава включает платиновый шарик (2) диаметром 16 мм. Платиновый шарик (2) подвершивали на тонкой платиновой проволоке (6), используя специальный кронштейн/держатель (11), прикрепленный к правой чашке аналитических весов. В исходном положении первый конец платиновой проволоки (6) был прикреплен к кронштейну/держателю в точке A. После нагревания печи (9) платиновый шарик помещали в расплавленный образец внутри тигля (3), и первый конец проволоки прикрепляли к кронштейну/держателю в точке B, помещая платиновый шарик (2) в центр расплава. Расстояние между платиновым шариком (2) и стенками тигля (3) составляло от 13 до 15 мм. Если бы данное расстояние было меньше, это повлияло бы на точность измерения.

Движение платинового шарика (3) в расплаве осуществляли путем изменения массы рейтера. Скорость движения шарика в расплаве определяли в относительных значениях сдвига стрелки весов, который наблюдали на шкале весов. Когда стрелка весов смешалась на 100 пунктов в обоих направлениях от нулевого положения, шарик в расплаве сдвигался на 1,7 мм вверх и вниз от центрального положения. Чувствительность весов составляла 10 мг на 100 пунктов. Платинородиевая (Pt/PtRh) термопара находилась в печи рядом с тиглем (3) и обеспечивала автоматическое регулирование температуры печи. Горячий конец другой термопары (5) находился внутри тигля (10), наполненного порошком Al₂O₃. К этой термопаре присоединяли потенциометр, чтобы регулировать температуру печи на заданном уровне. Точность регулирования температуры составляла ±1,5°C.

В процессе исследования платиновый шарик (2) двигался от отмеченного верхнего положения в расплаве к нижнему отмеченному положению под действием своего веса, причем продолжительность данного движения измеряли, используя секундомер с точностью 0,1 с. Время перемещения стрелки весов на 20-60 делений шкалы измеряли в зависимости от вязкости расплава. Скорость движения платинового шарика (2), выраженную в делениях шкалы в секунду, принимали как среднее значение шести измерений.

Используя данные скорости (V) и массы (G), строили график зависимости V-G для каждой исследуемой стеклянной композиции, причем все графики представляли собой прямые линии, проходящие через начало координат V-G. Наклон k каждой линии был связан с вязкостью расплава следующим выражением:

logη=a⋅log(tgk)+b,

где a (1,09) и b (0,87) представляли собой константы, которые определяли путем калибровки ячейки, используя соответствующее стандарту NIST стекло (710A). Относительная ошибка при определении вязкости находилась в пределах 3% в интервале вязкости 2,5<logη<3,5 и в пределах 4-6% в интервале logη<2,5 и logη>3,5.

Измерение температуры ликвидуса (TL) стеклянной композиции осуществляли в градиентной печи трубчатого типа, в которой максимальная температура составляла 1250°C. Камера печи имела размеры 480 мм в длину и 50 мм в диаметре. Геометрия и размеры печи были близки к параметрам, рекомендуемым стандартом ASTM C829-81. Фиг. 3 иллюстрирует положение термопары и число витков нагревательной спирали. Спираль была изготовлена из хромоникелевого (NiCr) сплава с высоким удельным сопротивлением и имела диаметр 2 мм.

Таблица IX кратко представляет измеренные температуры ликвидуса (TL) и базовые температуры формования (TF), определяемые при вязкости расплава, составляющей 1000 пуаз, для стеклянных композиций примеров 1-22. Стеклянные композиции примеров 1-6 демонстрировали температуры ликвидуса, превышающие 1240°C, т.е. верхний уровень температуры градиентной печи. В результате этого никакие измерения вязкости не были выполнены для этих композиций с целью определения температуры формования. Кроме того, несколько стеклянных композиций проявляли желательные свойства расплава, показывая меньшие температуры ликвидуса и формования и сохраняя при этом разность температуры ликвидуса и температуры формования, составляющую, по меньшей мере, 65°C. В каждом из примеров 18, 20 и 21 температура формования составляла менее чем 1222°C, и при этом разность температур ликвидуса и формования составляла, по меньшей мере, 75°C.

Таблица X кратко представляет измеренные температуры ликвидуса (TL) и температуры формования (TF) для стеклянных композиций примеров 40-71 как функцию массового процентного содержания Li₂O в стеклянных композициях. Как представлено в таблице X, Li₂O играет значительную роль в снижении температур ликвидуса и формования стеклянных композиций согласно настоящему изобретению, причем минимальное снижение температур формования и ликвидуса составляет 30°C и 43°C, соответственно.

Таблица XI кратко представляет измеренные температуры ликвидуса (TL) и базовые температуры формования (TF), определяемые при вязкости расплава, составляющей 1000 пуаз, для стеклянных композиций примеров 75 и 76.

Фиг. 4 представляет кривые температурной зависимости вязкости для стеклянной композиции примера 18, двух композиций E-стекла и композиции C-стекла. Как показывает фиг. 4, температурная зависимость вязкости стеклянной композиции примера 18 является аналогичной зависимости для композиции C-стекла. Кроме того, изменение вязкости в случае стеклянной композиции примера 18 является не таким резким, как соответствующее изменение в случае композиций E-стекла. В результате этого стеклянная композиция примера 18 может быть охарактеризована как «медленнотвердеющее» стекло, в то время как композиции E-стекла представляют собой «быстротвердеющие» стекла. Медленнотвердеющие стекла, такие как стекло примера 18, в принципе, являются предпочтительными для производства тонких волокон вследствие меньшего натяжения формования как результат замедленного снижения вязкости расплава в интервале температуры формования немедленно после выхода волокна из формующей головки.

Фиг. 5 дополнительно иллюстрирует уменьшение натяжения формования, представляя поверхностное натяжение расплавленного стекла как функцию температуры для стеклянной композиции примера 22 по сравнению с двумя композициями E-стекла. Как представлено на фиг. 5, стеклянная композиция примера 22 при температуре формования имеет снижение поверхностного натяжения на 9% и 14% по сравнению с композициями E-стекла.

Фиг. 6 представляет плотность расплава или расплавленного стекло как функцию температуры для стеклянной композиции примера 22 по сравнению с двумя композициями E-стекла. Как представлено на фиг. 6, стеклянная композиция примера 22 демонстрирует зависимость температуры (наклон) аналогично композициям E-стекла, но имеет плотность расплава, которая является меньше на 5% и 7%, чем в случае композиций E-стекла, соответственно. В результате этого стеклянные волокна, изготовленные из некоторых стеклянных композиций согласно настоящему изобретению, имеют меньшую массу единицы объема по сравнению с некоторыми волокнами из E-стекла. Имеющие меньшую плотность стеклянные волокна могут оказаться предпочтительными во многих применениях, в частности, для изготовления армированных изделий, таких как полимерные армированные изделия, где снижение массы является в высокой степени желательным. Кроме того, в результате снижения плотности, стеклянные волокна, изготовленные из некоторых стеклянных композиций согласно настоящему изобретению, могут иметь увеличенные диаметры по сравнению с некоторыми волокнами из E-стекла при одинаковой массе, и в результате этого обеспечиваются улучшенные механические свойства.

Фиг. 7 представляет график удельной электропроводности как функцию температуры для стеклянной композиции примера 25 по сравнению с композициями E-стекла и C-стекла. Как представлено на фиг. 7, стеклянная композиция примера 25 и композиция C-стекла проявляют значительно более высокие удельные электропроводности, чем E-стекло, вследствие своего значительно более высокого содержания щелочных металлов. В обеспечении электропроводности расплавленной неорганической стеклянной композиции, как правило, преобладают подвижные ионы натрия и калия. В результате низкого содержания ионов натрия и калия в композициях E-стекла технология электрического плавления используется только как вторичная ускоренная система для обработки E-стекла. Однако технология электрического плавления используется как основная энергия для обработки композиций C-стекла. Учитывая, что стеклянные композиции, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, демонстрируют более высокие удельные электропроводности расплава, чем некоторые композиции C-стекла, технология электрического плавления может найти применение для обработки стеклянных композиций согласно настоящему изобретению.

Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, для стеклянных композиций, изготовленных из исходной композиции, в которой содержатся перлит и/или пемза, требуется меньше энергии в целях превращения исходной композиции в расплавленную стеклянную композицию. Фиг. 8 представляет расход энергии, требуемой для превращения исходной композиции, содержащей перлит, в расплавленную стеклянную композицию примера 12. Фиг. 8 также представляет расход энергии, требуемой для превращения исходной композиции E-стекла в соответствующее расплавленное стекло. Как представлено на фиг. 8, энергия, требуемая для превращения исходной композиции примера 12 в расплавленную стеклянную композицию, составляла на 20% меньше, чем энергия, требуемая для превращения исходной композиции E-стекла в расплавленную стеклянную композицию. Энергию, требуемую для превращения исходной композиции второго E-стекла в расплавленную стеклянную композицию, также сравнивали с энергией, требуемой для превращения исходной композиции примера 12 в расплавленную стеклянную композицию. Энергия, требуемая для превращения исходной композиции примера 12, составляла приблизительно на 33% меньше, чем энергия, требуемая для превращения исходной композиции второго E-стекла в расплавленную стеклянную композицию.

Фиг. 9 представляет график спектра поглощения для стеклянной композиции примера 75 а также для композиции E-стекла и композиции C-стекла. Поглощение, обусловленное присутствием ионов Fe²⁺ в композициях, наблюдается как большая широкая полоса, расположенная в интервале от 700 до 1500 нм. Стекло примера 75 показывает большее поглощение, обусловленное ионами Fe²⁺, чем любое из других стекол, и это показывает, что тепло рассеивается быстрее от расплавленного стекла, что преимущественно способствует образованию стеклянных волокон в соответствии с требованиями высокой пропускной способности производства волокон, по сравнению с образцом C-стекла, поскольку оба образца имеют аналогичные соотношения между вязкостью и температурой, как представлено на вставке фиг. 9. Как иллюстрирует изменение вязкости, оно происходит быстрее в случае образца E-стекла, чем в обоих случаях образцов стекла примера 75 и C-стекла. Таким образом, предполагается, что незначительное снижение концентрации ионов Fe²⁺ (или снижение поглощения при 1000 нм или снижение скорости охлаждения стекла) в случае E-стекла обеспечивает такую же производительность, как в случае стеклянной композиции примера 75, но более высокую производительность, чем в случае C-стекла.

II. Устойчивость к кислотной и щелочной коррозии

Волокна, состоящие из стеклянных композиций согласно настоящему изобретению, изготавливали в лаборатории, используя фильерное устройство с одним отверстием. Для сравнения их устойчивости к коррозии с промышленными стеклянными волокнами в одинаковых условиях исследования волокна из AR-, C-, ECR- и E-стекла также изготавливали таким же способом, используя битое стекло.

Устойчивость стеклянных волокон к коррозии исследовали по относительной процентной потере массы образцов после исследования путем выщелачивания. Данное исследование осуществляли путем кипячения волоконных нитей при 96°C в течение одного часа в растворах серной кислоты или гидроксида натрия в различных условиях pH. Все исследования осуществляли, выдерживая постоянное соотношение объем раствора и массы или объема образца (5000 м²). Для каждого исследования использовали по 50 мл раствора и 1,375 г стеклянных волокон (диаметр волокон составлял 22 мкм). Образцы исследовали в трех экземплярах, чтобы определить средние значения потери массы образцов. Результаты исследования устойчивости представлены в таблице XII.

Устойчивость к коррозии стеклянных волокон, изготовленных из стеклянной композиции согласно варианту осуществления настоящего изобретения в примере 75, также исследовали в сравнении с несколькими композициями E-стекла (композиции E-стекла содержали 0 масс. % B₂O₃, 0,7 масс. % B₂O₃ и 1,3 масс. % B₂O₃). Волокна, состоящие из стеклянной композиции примера 75, изготавливали в лаборатории, используя фильерное устройство с одним отверстием. Разнообразные волокна из E-стекла представляли собой имеющиеся в продаже стеклянные волокна.

Устойчивость стеклянных волокон к коррозии исследовали по относительной процентной потере массы образцов после исследования путем выщелачивания. Данное исследование осуществляли, выдерживая образцы волокон в растворе 1 н. H₂SO₄ при 96°C в течение периодов, составляющих 2, 12 и 24 часа. Все исследования осуществляли, выдерживая постоянное соотношение объем раствора и массы или объема образца (5000 м²). Для каждого исследования использовали по 50 мл раствора и 1,375 г стеклянных волокон (диаметр волокон составлял 22 мкм). Образцы исследовали в трех экземплярах, чтобы определить средние значения потери массы образцов. Фиг. 10 представляет график, иллюстрирующий потерю массы с течением времени для стеклянных волокон, изготовленных из композиции примера 75, по сравнению с разнообразными композициями E-стекла. Как представлено на фиг. 10, устойчивость к кислоте стеклянных волокон, изготовленных в примере 75, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, была аналогичной устойчивости не содержащих бора образцов волокон E-стекла и значительно превосходила устойчивость содержащих бор образцов волокон E-стекла.

Устойчивость к коррозии стеклянных волокон, изготовленных из стеклянной композиции примера 75, также сравнивали с устойчивостью к коррозии содержащих 0% B₂O₃ волокна из E-стекла в лимонной кислоте, а также в серной кислоте. Стеклянные волокна, состоящие из стеклянной композиции примера 75, изготавливали, как описано выше в связи с фиг. 10. Содержащие 0% B₂O₃ волокна из E-стекла получали из CR-стекла INNOFIBER®, которое поставляет на продажу компания PPG Industries, Inc.

Устойчивость стеклянных волокон к коррозии исследовали по относительной процентной потере массы образцов после исследования путем выщелачивания. Данное исследование осуществляли, выдерживая образцы волокон в растворе 1 н. H₂SO₄ при 96°C в течение периодов, составляющих 2, 12 и 24 часа. Кроме того, устойчивость к коррозии в лимонной кислоте исследовали в отдельном исследовании, выдерживая образцы волокон в растворе 50% лимонной кислоты при 96°C в течение периодов, составляющих 2, 12 и 24 часа. Все исследования осуществляли, выдерживая постоянное соотношение объем раствора и массы или объема образца (5000 м²). Для каждого исследования использовали по 50 мл раствора и 1,375 г стеклянных волокон (диаметр волокон составлял 22 мкм). Образцы исследовали в трех экземплярах, чтобы определить средние значения потери массы образцов. Фиг. 11 представляет график, иллюстрирующий потерю массы с течением времени для стеклянных волокон, изготовленных из композиции примера 75, по сравнению с не содержащими бора волокнами из E-стекла. Как представлено на фиг. 11, стекловолокно, изготовленное в примере 75 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, проявляет устойчивость к серной кислоте, сопоставимую с устойчивостью не содержащих бора образцов волокон из E-стекла. В примере 75 образец стеклянных волокон предпочтительно проявляет потерю массы, составляющую приблизительно от 3 до 3,5% после 24 выдерживания в обеих кислотах.

III. Механическое исследование

Прочность при растяжении волокон, изготовленных из стеклянной композиции примера 37 настоящего изобретения, измеряли, вытягивая волокна диаметром 10 мкм из фильерного устройства с одним отверстием в лаборатории. Волокна затем исследовали, прилагая растягивающее усилие к волокнам с обоих концов в тот же день, когда волокна были изготовлены. Фиг. 12 кратко представляет статистический анализ Вейбулла прочности волокон, у которой среднее значение составляет приблизительно 3050 МПа, и среднеквадратическая ошибка составляет 22,4 МПа для образца размера 57. За исключением хвоста, прочность соответствовала одномерному распределению Вейбулла, и это предполагает преобладание единичного обрыва в разрыве волокон.

Динамический модуль упругости при растяжении волокон измеряли, вытягивая волокна, имеющие диаметр 30 мкм и содержащие стеклянную композицию примера 37 настоящего изобретения с использованием фильерного устройства с одним отверстием в лаборатории. Плотность волокон также измеряли с использованием пикнометра. Модуль упругости или модулю Юнга (Young) вычисляли, используя выражение E=ρC², где E, ρ и C представляют собой модуль упругости, плотность и скорость звука, соответственно. Волокна двух серий изготавливали при двух различных температурах, первую серию при вязкости расплава 1000 пуаз (низкотемпературное формование) и вторую серию при температуре, превышающей на 50°C температуру для первой серии (высокотемпературное формование) Таблица XIII кратко представляет статистический анализ модуля упругости волокон, у которого среднее значение составляет приблизительно 56,8 ГПа и 61,5 ГПа в случаях низкотемпературного и высокотемпературного формования, соответственно.

Для волокон, изготовленные из стеклянных композиций примеров 75 и 76, также измеряли плотность, прочность, и модуль упругости волокон, используя такие же способы, которые описаны выше. Таблица XTV представляет средние значения плотности, прочности при растяжении и модуля упругости для этих волокон.

Таблица XIV Пример 75 76 Плотность (г/см³) 2,54 2,53 Прочность (МПа) 3150 2990 Модуль упругости (ГПа) 73,37 72,70

Волокна, изготовленные из стеклянных композиций примеров 37, 75 и 76 проявляли хорошие механические свойства. Волокна, изготовленные из стеклянных композиций примеров 75 и 76, например, проявляли значения прочности и модуля упругости, близкие к значениям волокон из E-стекла.

IV. Устойчивость к гидролизу

Устойчивость к гидролизу стеклянных волокон примера 75 согласно варианту осуществления настоящего изобретения исследовали по сравнению с волокнами из E-стекла и волокнами из C-стекла. Стеклянные волокна обрабатывали в условиях относительной влажности 80% при температуре 50°C в течение продолжительного период времени в печи с регулируемой влажностью и температурой. В различные сроки деформацию разрушения волокон измеряли с использованием процедуры двухточечного изгиба, аналогичной процедуре, описанной в статье S.T. Gulati «Измерение прочности оптических волокон путем изгиба» J. Am. Ceram. Soc., 1986 г., т. 69, №11, с. 815-2. По деформации разрушения прочность волокон (или напряжение при разрыве) вычисляли, применяя закон Гука (Hooke) при использовании значений модуля упругости волокон, полученные в результате отдельных измерений динамическим способом, как описано выше. Для каждой стеклянной композиции при данной продолжительности обработки исследовали по 20 образцов. В процессе исследования при комнатной температуре в камере устройства для двухточечного изгиба влажность устанавливали на уровне 50%. Фиг. 13 представляет график, иллюстрирующий устойчивость к гидролизу волокон, показывая значения напряжения при разрыве волокон с течением времени для стеклянных волокон примера, 75, волокон из C-стекла и волокон из E-стекла. Наклоны линий представляют устойчивость волокон к гидролизу под действием влаги (воды). Волокна из C-стекла имели больший наклон, чем стеклянные волокна примера 75 и волокна из E-стекла, и это показывает, что волокна из C-стекла имеют меньшую устойчивость к гидролизу под действием влаги (воды). С другой стороны, близкие наклоны линий были обнаружены в случае волокон из E-стекла и стеклянных волокон примера 75. Наклоны линий стеклянных волокон примера 75 и волокон из E-стекла также были меньше, чем наклоны линий в случае волокон из C-стекла. Таким образом, стеклянные волокна примера 75 демонстрировали более высокую устойчивость к гидролизу под действием влаги (воды), чем волокна из C-стекла, а также устойчивость к гидролизу под действием влаги (воды), сопоставимую с устойчивостью волокон из E-стекла.

V. Примерные применения рубленых нитей

Одно преимущество стеклянных волокон согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения заключается в том, что волокна можно изготавливать, используя печи, каналы питателя, фильеры и/или другие устройства для формования волокон, применяемые в производстве E-стекла. Таблица XV иллюстрирует разнообразные стекловолоконные нити согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, которые изготавливали, используя оборудование для формования волокон из E-стекла, а также потенциальные приложения, для которых можно использовать данные волокна. Стеклянные волокна изготавливали из стеклянной композиции примера 75. Стеклянные волокна согласно примеру 75 формовали, используя фильеру, имеющую 200 отверстий, в качестве экспериментального устройства с применением традиционного промышленного оборудования для изготовления стекла, которое применяется в производстве волокон из E-стекла.

Таблица XV
Образцы стеклянных волокон Номер образца Длина в ярдах Диаметр волокна (мкм) Потеря массы при прокаливании LOI (%) Влагосодержание (%) Применение 1 7336 18,247 0,1 7,2 Рубленые во влажном состоянии волокна низкой плотности 2 7849 17,575 0,2 8,2 Рубленые во влажном состоянии волокна для кровельных изделий 3 7591 17,758 0,46 Не применяется Рубленые нити и термопластичный полимер 1 4 7623 17,493 0,57 Не применяется Рубленые нити и термопластичный полимер 2 5 4510 20,275 0,1 7,6 Рубленые во влажном состоянии волокна низкой плотности 6 4588 20,921 0,1 6,2 Рубленые во влажном состоянии волокна для кровельных изделий

В связи с потенциальными применениями стеклянных волокон согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения в приложениях для рубленых во влажном состоянии волокон, разнообразные листы ручной отливки были изготовлены с использованием в переменных количествах волокон из E-стекла и стеклянных волокон, изготовленных из стеклянной композиции примера 75 («стекло примера 75»): 100% E-стекла, 75% E-стекла и 25% стекла примера 75; 50% E-стекла и 50% стекла примера 75; 25% E-стекла и 75% стекла примера 75; 100% стекла примера 75. Образцы стеклянных волокон для изготовления листов ручной отливки представлены ниже в таблице XVI.

Таблица XVI Стекло примера 75 Свойства волокон E-Стекло Средний диаметр волокон (мкм) 18,25 16,50 Замасливающее вещество Кровельное Кровельное Средняя потеря массы замасливающего вещества при прокаливании LOI (%) 0,10 0,16 Средняя длина отрезков волокон (мм) 35,00 35,00

Листы ручной отливки из рубленых во влажном состоянии волокон изготавливали, используя традиционные технологии путем диспергирования заданного количества стеклянных волокон с образованием суспензии в сточной воде целлюлозно-бумажного производства и изготавливая маты. В суспензии в сточной воде целлюлозно-бумажного производства содержались загуститель (растворимая в воде гидроксиэтилцеллюлоза Natrasol 250HR), модификатор кислотности (гидроксид аммония), смачивающее вещество (катионный эмульгатор Katapol), связующее вещество (лигнин) и вода. После изготовления мата наносили традиционное мочевиноформальдегидное связующее вещество. Затем мат высушивали. Готовый мат содержал от 80 до 85 масс. % волокон и от 15 до 20 масс. % связующего вещества.

Измеренные разнообразные свойства готовых матов представлены ниже в таблице XVII.

Таблица XVII
Характеристики листов ручной отливки Единицы 100% E-стекла 75% E-стекла и 25% стекла примера 75 50% E-стекла и 50% стекла примера 75 25% E-стекла и 75% стекло примера 75 100% стекла примера 75 Поверхностная плотность полотна (ASTM D3776) унций на квадратный фут 5,69 5,99 5,82 5,77 5,84 Толщина полотна (ASTM D1777) дюйм 0,022 0,023 0,023 0,024 0,023 Сопротивление прокалыванию по Муллену (Mullen) (ASTM D3786) фунтов на квадратный дюйм 74 70 52 56 55 Воздухопрони-цаемость (ASTM D737) стандартных кубических футов в минуту на квадратный фут при 0,5 дюйма водяного столба 290,44 308,72 318,54 332,28 344,28 Прочность при растяжении в машинном направлении (ASTM D5O35) МПа 94,54 72,26 62,81 21,4 45,93 Прочность при растяжении в поперечном направлении (ASTM D5035) МПа 186,26 69,92 49,78 67,68 77,78 Потеря массы полимера при прокаливании LOI (ASTM D4963) % 16,79 16,37 17,63 16,42 16,84 Цвет - индекс желтизны (ASTM D6290) индекс желтизны 11,63 11,27 11,02 10,6 10,14 Цвет - индекс белизны (ASTM D6290) индекс белизны 44,7 45,61 46,32 47,33 48,24

Желательные характеристики, которые могут проявляться в вариантах осуществления настоящего изобретения, могут включать, но не ограничиваются этим, изготовление новых стеклянных композиций, в которых используются стеклообразные минералы; изготовление новых стеклянных композиций, в которых используется перлит; изготовление исходной композиции, расходующей меньше энергии для получения расплавленных стеклянных композиций; изготовление новых стеклянных композиций, демонстрирующих значительные различия температур ликвидуса и формования; изготовление стеклянных волокон, имеющих пониженную плотность без неблагоприятного ухудшения механических свойств; изготовление стеклянных волокон, демонстрирующих желательные свойства устойчивости к кислотной и щелочной коррозии; изготовление стеклянных волокон, которые можно использовать для разнообразных целевых приложений, и др.

Следует осознавать, что настоящее описание иллюстрирует аспекты настоящего изобретения, способствующие четкому пониманию настоящего изобретения. Определенные аспекты настоящего изобретения, которые должны быть очевидными для обычных специалистов в данной области техники, и которые, таким образом, не способствуют лучшему пониманию настоящего изобретения, не представлены в целях упрощения настоящего описания. Хотя настоящее изобретение описано в связи с определенными вариантами осуществления, настоящее изобретение не ограничивается конкретными описанными вариантами осуществления, но предназначается для распространения на модификации, которые находятся в пределах идеи и объема настоящего изобретения, как определяет прилагаемая формула изобретения.

Изобретение относится к волокнообразующей стеклянной композиции и волокнам, изготовленным из неё, которые могут быть использованы в виде нитей, ровинга, пряжи, тканого или нетканого полотна, в частности, в составе полимерных композитов. Волокнообразующая стеклянная композиция содержит (мас.%): 25-41 стеклообразного минерала (перлита, пемзы или их смеси), по меньшей мере 5 источника натрия и дополнительно - источник оксида кремния, оксида алюминия или алюмосиликат. При этом химический состав волокна представляет собой алюмосиликатную композицию, содержащую, мас.%: 53-64 SiO₂, 8-12 Al₂O₃, 8,5-18 оксида щелочного металла R₂O и оксид щелочноземельного металла RO при массовом соотношении R₂O/RO от более 1,5 до 1,7. Технический результат изобретения – изготовление новых стеклянных композиций, имеющих пониженную плотность без ухудшения механических свойств, устойчивых к кислотной и щелочной коррозии. 12 н. и 40 з.п. ф-лы, 22 табл., 76 пр., 13 ил.

1. Волокнообразующая стеклянная композиция, полученная из исходной композиции, причем данная исходная композиция содержит:

25-41 мас.% стеклообразного минерала, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем по меньшей мере 80 мас.%, по меньшей мере 10 мас.% дополнительного источника кремния, алюминия или кремния и алюминия и по меньшей мере 5 мас.% источника натрия,

где дополнительный источник кремния представляет собой содержащий кремний минерал,

где дополнительный источник алюминия представляет собой содержащий алюминий минерал,

где дополнительный источник кремния и алюминия представляет собой содержащий алюминий силикатный минерал и

где указанный источник отличается от стеклообразного минерала.

2. Волокнообразующая стеклянная композиция, содержащая:

от 53 до 64 мас.% SiO₂;

от 8 до 12 мас.% Al₂O₃;

от 8,5 до 18 мас.% компонента оксида щелочного металла (R₂O) и

компонент оксида металла (RO), причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от более 1,5 до приблизительно 1,7.

3. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой исходная композиция содержит по меньшей мере 10 мас.% источника, одновременно содержащего кремний и алюминий.

4. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой исходная композиция содержит по меньшей мере 10 мас.% источника кремния.

5. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой исходная композиция содержит по меньшей мере 10 мас.% источника алюминия.

6. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой исходная композиция содержит по меньшей мере 25 мас.% стеклообразного минерала.

7. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой исходная композиция содержит по меньшей мере 40 мас.% стеклообразного минерала.

8. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой исходная композиция содержит по меньшей мере 10 мас.% источника натрия.

9. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, в которой в стеклообразном минерале содержатся перлит, пемза или их смеси.

10. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.2, в которой компонент RO присутствует в количестве, составляющем от 7 до 12 мас.%.

11. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.2, в которой компонент RO содержит смесь CaO и MgO.

12. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.2, в которой компонент RO содержит CaO в количестве, составляющем от 7 до 12 мас.%.

13. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.2, в которой компонент RO содержит MgO в количестве, составляющем вплоть до 5 мас.%.

14. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.2, в которой компонент R₂O содержит Na₂O в количестве, составляющем от 6,5 до 16 мас.%.

15. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.2, в которой компонент R₂O содержит K₂O в количестве, составляющем от 0,5 до 4 мас.%.

16. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, где дополнительный источник кремния представляет собой кремнезем.

17. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, где дополнительный источник алюминия представляет собой корунд.

18. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, где дополнительный источник кремния и алюминия представляет собой каолинит, диккит, галлуазит, накрит, монтмориллонит или алюмосиликаты щелочных металлов.

19. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, где стеклообразный минерал включает перлит, пемзу и их смеси, где дополнительный источник кремния представляет собой кремнезем, где дополнительный источник алюминия представляет собой корунд и где дополнительный источник кремния и алюминия представляет собой каолинит, диккит, галлуазит, накрит, монтмориллонит или алюмосиликаты щелочных металлов.

20. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.1, где исходная композиция содержит до 30 мас.% источника натрия.

21. Волокнообразующая стеклянная композиция, содержащая:

от 53 до 64 мас.% SiO₂;

от 8 до 12 мас.% Al₂O₃;

от 8,5 до 18 мас.% компонента оксида щелочного металла (R₂O) и

от 8,5 до 18 компонента оксида металла (RO),

причем компонент оксида металла присутствует в количестве, которое обеспечивает массовое соотношение R₂O/RO, составляющее от приблизительно 0,45 до приблизительно 1,7, где модуль упругости волокнообразующей стеклянной композиции составляет 72,7 ГПа или более и где в составе волокнообразующей стеклянной композиции присутствует TiO₂.

22. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.21, где RO содержит смесь CaO и MgO.

23. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.21, где RO содержит CaO в количестве от 7 до 12 мас.%.

24. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.21, где RO содержит MgO в количестве до 5 мас.%.

25. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.21, где R₂O содержит Na₂O в количестве от 6,5 до 16 мас.%.

26. Волокнообразующая стеклянная композиция по п.21, где R₂O содержит Ka₂O в количестве от 0,5 до 4 мас.%.

27. Множество стеклянных волокон, изготовленных из волокнообразующей стеклянной композиции по любому из пп.1-26.

28. Множество стеклянных волокон по п.27, в котором стеклянные волокна имеют длину, составляющую менее чем приблизительно 105 мм.

29. Множество стеклянных волокон по п.27, в котором стеклянные волокна имеют длину, составляющую менее чем приблизительно 13 мм.

30. Множество стеклянных волокон по п.27, в котором стеклянные волокна имеют длину, составляющую более чем приблизительно 3 мм.

31. Множество стеклянных волокон по п.27, в котором стеклянные волокна имеют длину, составляющую более чем приблизительно 50 мм.

32. Стекловолоконная нить, содержащая множество стеклянных волокон по любому из пп.27-31.

33. Ровинг, содержащий множество стеклянных волокон по любому из пп.27-31.

34. Пряжа, содержащая множество стеклянных волокон по любому из пп.27-31.

35. Тканое полотно, содержащее множество стеклянных волокон по любому из пп.27-31.

36. Нетканое полотно, содержащее множество стеклянных волокон по любому из пп.27-31.

37. Полимерный композит, содержащий:

полимерный материал и

множество стеклянных волокон, изготовленных из Волокнообразующей стеклянной композиции по любому из пп.1-26.

38. Полимерный композит по п.37, в котором множество стеклянных волокон имеют длину, составляющую менее чем приблизительно 105 мм.

39. Полимерный композит по п.37, в котором множество стеклянных волокон имеют длину, составляющую менее чем приблизительно 13 мм.

40. Полимерный композит по п.37, в котором множество стеклянных волокон имеют длину, составляющую более чем приблизительно 50 мкм.

41. Полимерный композит по п.37, в котором множество стеклянных волокон имеют длину, составляющую более чем приблизительно 50 мм.

42. Полимерный композит по п.37, в котором множество стеклянных волокон присутствуют в форме нетканого полотна.

43. Полимерный композит по п.37, в котором множество стеклянных волокон присутствуют в форме тканого полотна.

44. Полимерный композит по п.37, в котором полимерный материал содержит термопластичный полимер.

45. Полимерный композит по п.37, в котором полимерный материал содержит термореактивный полимер.

46. Кровельная плитка, содержащая множество стеклянных волокон, изготовленных из волокнообразующей стеклянной композиции по любому из пп.1-26.

47. Способ получения стекловолокна, включающий следующие стадии:

изготовление исходной композиции, содержащей 25-41 мас.% стеклообразного минерала, по меньшей мере 10 мас.% дополнительного источника кремния, алюминия или кремния и алюминия и по меньшей мере 5 мас.% источника натрия, причем данный стеклообразный минерал содержит сочетание SiO₂ и Al₂O₃ в количестве, составляющем по меньшей мере 80 мас.%,

где дополнительный источник кремния представляет собой содержащий кремний минерал,

где дополнительный источник алюминия представляет собой содержащий алюминий минерал,

где дополнительный источник кремния и алюминия представляет собой содержащий алюминий силикатный минерал, где указанный источник отличается от стеклообразного минерала;

нагревание исходной композиции до температуры по меньшей мере 1400°С для изготовления расплавленной стеклянной композиции и

экструзия расплавленного стекла через фильеру для изготовления стекловолокна.

48. Способ по п.47, в котором исходную композицию нагревают до температуры формования волокон, составляющей от приблизительно 1120 до приблизительно 1300°C.

49. Способ по п.47, в котором исходная композиция содержит по меньшей мере 25 мас.% стеклообразного минерала.

50. Способ по п.47, в котором исходная композиция содержит по меньшей мере 40 мас.% стеклообразного минерала.

51. Способ по п.47, в котором исходная композиция содержит по меньшей мере 10 мас.% источника натрия.

52. Способ по п.47, в котором в стеклообразном минерале содержатся перлит, пемза или их смеси.