Стеклянные композиции и изготовленные из них волокна

Стеклянные композиции и изготовленные из них волокна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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