Композиции стекла и волокна, изготовленные из них

Композиции стекла и волокна, изготовленные из них

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

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

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

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

Описание предшествующего уровня техники

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

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

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

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

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

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

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

Подробное описание

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ПРИМЕРЫ

Примеры 1-11

Стекла в этих примерах изготавливали путем плавления смесей химически чистых химикатов в порошкообразной форме в 10% Rh/Pt-тиглях при темп