BR112016019954B1

BR112016019954B1 - Composição de fibra de vidro, fibra de vidro e material compósito do mesmo

Info

Publication number: BR112016019954B1
Application number: BR112016019954-5A
Authority: BR
Inventors: Guorong Cao; Wenzhong Xing; Lin Zhang; Guijiang Gu
Original assignee: Jushi Group Co., Ltd
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2022-01-04
Also published as: HRP20181929T1; CA2942671C; JP2018502037A; US20160362327A1; DK3093276T3; SA517381900B1; SI3093276T1; ES2702720T3; CN106488890A; WO2015131684A2; PL3093276T3; BR112016019954A2; EP3093276A2; CA2942671A1; PT3093276T; ZA201701507B; CN106488890B; MX2017007618A; RU2667170C1; KR101987121B1

Abstract

composição de fibra de vidro, fibra de vidro e material compósito do mesmo. a presente invenção refere-se a uma composição de fibra de vidro, uma fibra de vidro e um material compósito do mesmo. a composição de fibra de vidro compreende os seguintes componentes expressos percentuais em peso: 58-64% de si02, 14-19% de a1203, > 8,8% e < 11,8% de cao, 7,5-11% de mgo, 0,2-2,7% de sro, 0,1-2% de na20 + k20, 0,05-0,9% de li20, 0, 05-1 de fe203, 0,05-4,1% de ti02 e < 0,5% de f2, em que a faixa da relação percentual em peso cl - (mgo + sro)/cao é de 0,75-1,1, e a faixa da relação percentual em peso c2 = cao/mgo é menor do que 1,4. a referida composição pode eficazmente inibir a tendência de cristalização do vidro, diminuir significativamente a temperatura de liquefação e grau de cristalização do vidro e também ter um índice refrativo de vidro excelente e módulo excelente.

Description

CAMPO DE INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um tipo de composição de fibra de vidro, especificamente a uma composição para uma fibra de vidro de alto desempenho usada como um material de base de reforço para os materiais compósitos avançados, e uma fibra de vidro e um material compósito do mesmo.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

[002] A fibra de vidro é um material de fibra inorgânico e pode ser usada para reforçar resinas para produzir materiais compósitos com bom desempenho. Como um material de base de reforço para materiais compósitos avançados, fibras de vidro de alto desempenho foram originalmente usadas principalmente na indústria aeroespacial ou a indústria de defesa nacional. Com o progresso da ciência e tecnologia e o desenvolvimento da economia, fibras de vidro de alto desempenho têm sido amplamente usadas em campos civis e industriais, tais como motores, pás eólicas, vasos de pressão, tubulações de petróleo offshore, aparelhos de desporto e indústria automobilística.

[003] Uma vez que a empresa norte-americana desenvolveu fibra de vidro S-2, diferentes paises desenvolveram fibras de vidro de alto desempenho com várias composições, por exemplo, fibra de vidro R desenvolvida por uma empresa Francesa, a fibra de vidro HiPer-tex desenvolvida por uma empresa Americana e fibra de vidro de alta resistência # 2 desenvolvida por uma empresa Chinesa. As composições de vidro de alto desempenho originais foram com base em um sistema MgO-A12O3-SiC>2 e uma solução tipica foi vidro S-2 de uma empresa Americana. No entanto, a produção de vidro S-2 é excessivamente difícil, como sua temperatura de formação é de até cerca de 1571 °C e a sua temperatura de liquefação de até 1470°C e, portanto, é difícil de realizar a produção industrial em larga escala.

[004] Depois disso, a fim de diminuir a temperatura de fusão e temperatura de formação de vidro para melhor satisfazer as necessidades de produção em larga escala com fornos de revestimento refratários, as grandes empresas desenvolveram sucessivamente vidros de alto desempenho com base em um sistema MgO-A12O3-SiO2. Soluções típicas foram vidro R da empresa Francesa e vidro HiPer-tex da empresa Americana, que eram uma torca (trade-off) para a escala de produção, sacrificando algumas das propriedades de vidro. No entanto, uma vez que estas soluções concebidas foram muito conservadoras, especialmente o conteúdo de AI2O3 foi mantido superior a 20%, de preferência 25%, a produção de vidro manteve-se extremamente difícil. Embora a produção em pequena escala com forno de revestimento refratário seja alcançada, a produção eficiente foi baixa e a relação de desempenho de custo dos produtos não foi alta. O vidro R tradicional é difícil de desfibrar como sua temperatura de formação é de até cerca de 1410°C e a sua temperatura de liquefação de até 1330°C, o que provoca dificuldade na atenuação da fibra de vidro e, consequentemente, na realização da produção industrial em grande escala.

[005] Além disso, há um outro tipo de vidro R, de que as propriedades mecânicas são ligeiramente menores do que as do vidro R tradicional e as suas propriedades de fusão e formação são significativamente superiores às do vidro R tradicional. No entanto, como sua relação de cálcio para magnésio é bastante alta. O vidro tem um alto risco para cristalização (devitrificação) . Além disso, uma vez que muito LÍ2O é introduzido, não só a estabilidade quimica do vidro é afetada, mas também seu custo da matéria-prima é maior. Por isso, também não é adequado para a produção industrial em larga escala.

[006] A fibra de vidro de alta resistência 2 # compreende principalmente SiO2, AI2O3 e MgO, e certas quantidades de Li20, B2O3, CeO2 e Fe2O2 são também apresentadas. A mesma também tem alta resistência e alto módulo e sua temperatura de formação é apenas de cerca de 1245°C e a sua temperatura de liquefação é de 1320°C. Ambas as temperaturas são muito menors do que as da fibra de vidro S. No entanto, uma vez que sua temperatura de formação é menor do que sua temperatura de liquefação, a qual é desfavorável para o controle de atenuação de fibra de vidro. A sua temperatura de formação tem de ser aumentada e pontas especialmente em forma têm de ser usadas para evitar que um fenômeno de cristalização de vidro ocorra no processo de atenuação de fibra. Isto causa dificuldades no controle da temperatura e também faz com que seja dificil de realizar a produção industrial em larga escala.

[007] Em suma, foi descoberto que, na fase atual, na produção real de várias fibras de vidro de alto desempenho encontra-se um problema comum que é que a temperatura deliquefação do vidro é muito alta e o risco de cristalização é grande. Atualmente, a temperatura de liquefação do vidro E de corrente principal é geralmente menor do que 1200°C, enquanto que a temperatura de liquefação dos vidros de alto desempenho acima mencionada é geralmente maior do que 1300°C, o que fará com que o fenômeno de cristalização de vidro ocorra facilmente durante o processo de produção. Como um resultado, a produção eficiente de fibras de vidro e a vida útil de materiais refratários e buchas de platina são grandemente reduzidas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] A presente invenção visa resolver o problema descrito acima. O objetivo da presente invenção é o de fornecer uma composição de fibra de vidro de alto desempenho que não só assegura que a fibra de vidro tem propriedades mecânicas altas e temperatura de formação baixa, mas também supera o problema de temperatura de liquefação muito alta e taxa de cristalização muita alta em vidros tradicionais de alto desempenho que conduzem à alta tendência para a cristalização e a dificuldade de alcançar alta produção eficiente em larga escala, diminui significativamente a temperatura de liquefação de vidro de alto desempenho, aumenta a temperatura de pico de cristalização de vidro, diminui o grau de cristalização de vidro sob as mesmas condições e, por sua vez, tem um índice refrativo de vidro excelente que melhora muito a transparência dos artigos reforçados com fibras de vidro.

[009] De acordo com um aspecto da presente invenção, a presente invenção fornece uma composição de fibra de vidro, em que a composição de fibra de vidro compreende osseguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[010] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl ((MgO + SrO) /CaO é de 0,75-1,1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é menor do que 1,4.

[011] Em que, a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

[012] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1.

[013] Em que, o conteúdo de CaO por porcentual em peso é maior do que 10,5% e menor do que 11,8%.

[014] Em que, a composição compreende os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[015] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,75-1,1, e a faixa da relação percentual em peso C2 - CaO/MgO é menor do que 1,4.

[016] Em que, a composição compreende os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[017] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é 0,8-1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

[018] Em que, a composição compreende os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[019] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl= (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

[020] De acordo com outro aspecto da invenção, uma fibra de vidro produzida com a referida composição de fibra de vidro é fornecida.

[021] De acordo com ainda outro aspecto da invenção, um material compósito incorporando a referida fibra de vidro é fornecido.

[022] Com a introdução de quantidades apropriadas de SrO e Li2O, razoavelmente configurar as faixas de conteúdo de CaO, MgO e SrO e as faixas das relações (MgO + SrO)/CaO e CaO/MgO, e utilizando o efeito alcalino-terroso misto ternário CaO, MgO e SrO, a composição de fibra de vidro da presente invenção não só assegura que a fibra de vidro tem propriedades mecânicas altas e temperatura de formação baixa, mas também supera o problema de temperatura de liquefação muito alta e taxa de cristalização muito alta nos vidros tradicionais de alto desempenho que levam a alta tendência para a cristalização e a dificuldade de alcançar alta produção eficiente em larga escala, diminui significativamente a temperatura de liquefação de vidro de alto desempenho, aumenta a temperatura de pico de cristalização de vidro, diminui o gtau de cristalização de vidro sob as mesmas condições e, por sua vez, tem um índice refrativo de vidro excelente que melhora muito a transparência dos artigos reforçados de fibra de vidro. Especificamente, a composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, compreende os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[023] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,75-1,1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é menor do que 1,4.

[024] O efeito e o conteúdo de cada componente na referida composição de fibra de vidro são descritos como segue:

[025] SÍO2 é um óxido principal formando a rede de vidro e tem o efeito de estabilizar todos os componentes. Na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de conteúdo restrita de SÍO2 é 58-64%. Um conteúdo tão baixo irá afetar as propriedades mecânicas do vidro; conteúdo muito alto irá fazer com que a viscosidade de vidro seja excessivamente alta, resultando assim, em questões de fusão e refinação. De preferência, a faixa de conteúdo de SiO2 pode ser de 59-62%. Mais de preferência, a faixa de conteúdo de SiO2 pode ser de 59-61,5%.

[026] A12O3 é outro óxido principal formando a rede de vidro. Quando combinado com SiO2, o mesmo pode ter um efeito substancial sobre as propriedades mecânicas do vidro e um efeito significativo na prevenção da separação de fase do vidro e sobre resistência à água. A faixa de conteúdo restrita de A12O2 nesta invenção é de 14-19%. Um conteúdo muito baixo tornará impossível obter suficientemente propriedades mecânicas altas, especialmente o módulo; conteúdo muito alto irá fazer com que a viscosidade de vidro seja excessivamente alta, resultando assim, em questões de fusão e refinação. De preferência, o conteúdo de A12O3 pode ser 14,5-18%. Mais de preferência, o conteúdo de AI2O3 pode ser de 14,5-16,5%.

[027] Na presente invenção, CaO, MgO e SrO tem principalmente o efeito de controlar a cristalização de vidro e regular a viscosidade do vidro e a velocidade de endurecimento de vidro fundido, particularmente no controle da cristalização de vidro, os inventores obtiveram efeitos inesperados controlando as quantidades introduzidas dos mesmos e as relações entre os mesmos. Geralmente, para um vidro de alto desempenho com base no sistema MgO-CaO-Al2O3- SiO2, as fases cristalinas que a mesma contém, após a cristalização de vidro incluem principalmente diópsido (CaMgSi2O6) e anortite (CaAl2Si2O3) . A fim de inibir, de forma eficaz, a tendência para duas fases cristalinas para cristalizar e diminuir a temperatura limite superior da cristalização de vidro (temperatura de liquefação) e o grau de cristalização, dois meios técnicos ou uma combinação dos mesmos, podem ser usados na presente invenção: por um lado, através da adição de uma quantidade apropriada de SrO e controlar, de forma racional, a faixa de relação de (MgO + SrO)/CaO para formar uma estrutura de empilhamento mais compacta através do efeito alcalino-terroso misto ternário, a temperatura de liquefação pode ser diminuída e as temperaturas de cristalização de pico das duas fases cristalinas podem ser aumentadas, de modo que mais energia é necessária para núcleos de cristais para formar e crescer, atingindo assim o objetivo de inibir simultaneamente a tendência para as duas fases cristalinas para cristalizar; por outro lado, por meio de controlar racionalmente a faixa de relação de CaO/MgO e diminuir a relação molar de ions de Ca2+/Mg2+, uma falta evidente de ions de Ca2+ irá resultar durante o processo de cristalização das duas fases cristalinas, conseguindo assim, o objetivo de simultaneamente inibir a tendência para as duas fases cristalinas para cristalizar e diminuir a temperatura de liquefação. Além disso, o que é surpreendente para os inventores é que, o efeito técnico global produzido quando ambos os meios técnicos usados são usados, simultaneamente, é sensivelmente maior do que o efeito acumulativo produzido, quando os dois meios técnicos são usados separadamente.

[028] Em primeiro lugar, o primeiro meio técnico é explicado como abaixo. Uma grande quantidade de experiências e estudos têm demonstrado que, quando as suas relações são racionais, o efeito técnico de efeitos alcalino-terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO é visivelmente melhor do que os efeitos alcalino-terrosos mistos binários CaO e MgO. Isto é porque, à medida que mais ions de metais alcalino-terrosos com diferentes raios participam no processo de substituição, forma-se uma estrutura de empilhamento compacta mais facilmente e, assim, o vidro tem uma melhor cristalização, propriedades mecânicas e ópticas. Além disso, as pesquisas mostram, a partir da perspectiva de substituição simples, em comparação com CaO, SrO, que podem melhor aperfeiçoar a resistência à compressão e o índice refrativo do vidro e a diferença no seu efeito sobre a velocidade de endurecimento de vidro fundido é grande; em comparação com MgO, SrO, podem aperfeiçoar a resistência à tração, módulos de elasticidade e o índice refrativo do vidro e a diferença no seu efeito sobre a velocidade de endurecimento de vidro fundido é pequena. Além disso, em comparação com CaO, MgO pode melhor aperfeiçoar o módulo de elasticidade de vidro e a diferença no seu efeito sobre a velocidade de endurecimento de vidro fundido é grande. Ao mesmo tempo, considerando a correspondência entre os tamanhos de ions, a qual é adequada para controlar a relação entre a soma de SrO e CaO para MgO. Uma vez que os raios iônicos de Mg2 + , Ca2+ e Sr2+ tornaram-se sequencialmente maiores e as suas intensidades de campo de ions tornaram-se sequencialmente menores, de modo a obter uma estrutura de empilhamento compacta, a correspondência entre os números de três tipos de ions torna-se muito importante. O que é particularmente digno de nota é que, uma quantidade apropriada de SrO é introduzida na composição de fibra de vidro da presente invenção, e, por meio de uma relação ajustada racionalmente de (MgO + SrO)/CaO, a tendência e grau de cristalização de vidro podem ser efetivamente controlados.

[029] Em principio, a cristalização é um processo de formação e crescimento continuo de núcleos cristalinos, isto é, um processo de circulação e reestruturação de vários átomos no vidro. O sistema alcalino-terroso ternário concebido na presente invenção o torna mais fácil paraalcançar uma estrutura de empilhamento compacta do vidro. Ao mesmo tempo, uma vez que o raio iônico de Sr2+ é maior, não só é difícil para ions de Sr2+ dos mesmos mover-se, mas também os mesmos podem efetivamente impedir a circulação e reestruturação de ions de Mg2+ e Ca2+ sob as mesmas condições, conseguindo assim o objetivo de inibir a tendência de cristalização e reduzir a taxa de cristalização. Portanto, a partir da composição de fibra de vidro da presente invenção, um desempenho de cristalização ainda melhor pode ser obtido.

[030] A presente invenção considera, de forma exaustiva, que os efeitos alcalino-terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO selecionam um conteúdo de SrO apropriado para ser capaz de atingir uma temperatura limite superior inferior e grau inferior de cristalização, propriedades mecânicas maiores e indices de refração de vidro maiores. No entanto, como o peso molecular de óxido de estrôncio é relativamente alto, uma adição excessiva de óxido de estrôncio irá conduzir a um aumento da densidade do vidro, o que terá um impacto negativo sobre a resistência especifica e módulos específicos de fibra de vidro. Portanto, na presente invenção, a faixa de conteúdo SrO restrita é de 0,2-2,7%, a faixa de conteúdo CaO é de 8,8% e < 11,8%, a faixa de conteúdo MgO é de 7,5-11% e afaixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO) /CaO éde 0,75-1,1. De preferência, a faixa de conteúdo SrO é de 0,5-2%, a faixa de conteúdo CaO é de > 10,5% e < 11,8%, a faixa de conteúdo MgO é de 8-10,5% e a faixa da relaçãopercentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1. Mais depreferência, a faixa de conteúdo CaO é de 10,6-11,7% e afaixa de conteúdo MgO é de 8-10%.

[031] Agora o segundo meio técnico é explicado como abaixo. Para um vidro de alto desempenho com base em um sistema Mgθ-Caθ-A12θ3-Siθ2, as fases cristalinas que o mesmo contém, após a cristalização de vidro incluem principalmente diópsido (CaMgSÍ20g) e anortite (CaA12Si2O3) . A relação molar de Ca2+/Mg2+ na fórmula molecular de diópsido é 1. As quantidades suficientes de ambos Ca2+ e Mg2+ são necessárias para cristais diópsidos para crescer rapidamente e completamente. Da mesma forma, cristais de anortite necessitam de um ambiente rico de Ca2+ para ser capaz de crescer rapidamente. Na presente invenção, a relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é introduzida para medir e controlar a relação molar de Ca2+/Mg2+, a fim de inibir o crescimento de duas fases cristalinas simultaneamente. Os inventores descobriram que a relação de CaO/MgO em vidros de alto desempenho tradicionais, é muitas vezes, relativamente alta, geralmente superior a 1,6 e ainda superior a 2, a qual traduz aproximadamente a uma relação molar de Ca2+/Mg2+ superior a 1,14 e 1,42 (com uma precisão de duas casas decimais), respectivamente. Em tal caso, uma vez que a quantidade de ions de Ca e Mg e suficiente para o crescimento completo e rápido das fases cristalinas, o crescimento das duas fases cristalinas não pode ser inibido ao mesmo tempo, mesmo que não haja uma alteração na relação das duas fases cristalinas nos produtos de cristalização finais.

[032] Com mais investigação, os inventores descobriram de forma inesperada que, na composição de fibra de vidro da presente invenção, quando a relação de CaO/MgO é controlada para ser menor do que 1,4, especialmente menor do que 1,3, a qual traduz, aproximadamente, a uma relação molar de Ca2+/Mg2+ menor do que 1 e 0,92, respectivamente, em comparação com a relação de CaO/MgO maior do que 1,6 ou 2 nos vidros de alto desempenho tradicionais, a temperatura de liquefação do vidro e o grau de cristalização são significativamente diminuidos. A diminuição significativa do grau de cristalização de fases cristalinas é manifestada por uma diminuição notável na intensidade dos picos de dif ração de raio X. Ao mesmo tempo, as imagens de SEM mostram que os grãos cristalinos da mudança de diópsido a partir de uma forma colunar ou similar à forma de uma haste para uma forma de agulha do tipo longa e fina e os grãos cristalinos tornaram-se menores e seus declinios incompletos. Os inventores acreditam que isto é principalmente devido ao fato de que, como a relação de CaO/MgO diminui, de tal modo que a relação molar de Ca2+/Mg2+ no vidro é menor do que à relação molar 1 teórica de Ca2+/Mg2+ necessária para a formação de diópsido, devido a uma escassez de ions de Ca2+ para cristalização completa, os processos de cristalização de ambos diópsido e anortite são significativamente afetados, desse modo, atingindo o efeito de inibir simultaneamente a tendência de cristalização das duas fases cristalinas. Ao mesmo tempo, com a diminuição da relação de CaO/MgO, uma vez que o peso molecular de MgO é menor do que de CaO, quando o MgO é usado para substituir CaO da mesma massa, o oxigênio fornecido por MgO é muito mais daquele por CaO, o que ajuda mais ions de aluminio para formar coordenação tetra- hédrica, fortalecer a rede do sistema de vidro e reduzirainda mais a tendência de cristalização. No entanto, a relação de CaO/MgO não deve ser muito baixa, caso contrário, haverá um grande excedente de ions de magnésio, o que irá aumentar a uma certa medida a tendência de cristalização de uma nova fase cristalina - forsterite (Mg2SÍ2O6) . Portanto, de preferência, a relação de CaO/MgO é acima de 1 e menor do que 1,3.

[033] Os inventores acreditam que, na composição de fibra de vidro da presente invenção, através da utilização conjunta dos dois meios técnicos precedentes, especialmente, mantendo a faixa de conteúdo de 0,5-2% de SrO, a faixa de conteúdo de > 10,5% e < 11,8% de CaO, a faixa de conteúdo de 8-10,5% de MgO, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO a 0,8-1 e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO a > 1 e < 1,3, o empilhamento de ion entre os óxidos alcalino-terrosos ternários se tornou excepcionalmente compacto e estrutura de vidro tornou-se particularmente estável; entretanto, a impedância dos ions de Sr2+ e a falta de ions de Ca2+ irão inibir ainda mais a tendência de cristalização das duas fases cristalinas e, assim, o vidro diminuiu significativamente a temperatura de liquefação e grau de cristalização. Em comparação com os vidros de alto desempenho tradicionais, tais efeitos técnicos foram inesperados.

[034] Ambos K2O e Na2Ü podem reduzir a viscosidade do vidro e são agentes fundentes bons. Substituindo Na2O com K20, enquanto mantendo a quantidade total de óxidos de metais alcalinos inalteradas podem reduzir a tendência de cristalização do vidro, melhorar o desempenho defibrização; e também reduzir a tensão superficial do vidro fundido e melhorar o desempenho de fusão de vidro. Na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de conteúdo restrita de Na2O + K2O é de 0,1-2%. De preferência, a faixa de conteúdo de Na2O + K2O é de 0,1-1%.

[035] Fe2O2 facilita a fusão do vidro e também pode melhorar o desempenho de cristalização de vidro. No entanto, uma vez que os ions férricos e ions ferrosos têm um efeito corante, a quantidade introduzida deve ser limitada. Portanto, na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de conteúdo restrita de Fe2C>3 é de 0,05-1%. De preferência, a faixa de conteúdo de Fe2O3 é de 0,05-0,7%.

[036] TiO2 não só pode reduzir a viscosidade do vidro a uma temperatura alta, mas também tem um certo efeito f luidif icante. No entanto, uma vez que os ions de titânio têm um certo efeito de coloração e tal efeito de coloração torna-se particularmente significativo, quando o conteúdo de TiO2 excede 1,1%, este irá afetar a aparência dos artigos reforçados de fibra de vidro em certa medida. Portanto, na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de conteúdo restrita de TiO2 é de 0,05- 1,1%. De preferência, a faixa de conteúdo de TiO2 é de 0,05-0,8%.

[037] Comparado com Na2O e K2O, Li2O não pode apenas reduzir significativamente a viscosidade de vidro, melhorando assim o desempenho de fusão de vidro, mas também ajudar a melhorar significativamente as propriedades mecânicas do vidro. Além disso, uma pequena quantidade de Li2O fornece oxigênio livre considerável, o que ajuda mais ions de aluminio a formar coordenação tetra-hédrica, realçar a estrutura da rede do sistema de vidro e reduzir ainda mais a tendência de cristalização de vidro. Devido ao alto custo de LÍ2O, a quantidade introduzida deve ser limitada. Portanto, na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de conteúdo restrita de Li2O é de 0,05-0,9%. De preferência, a faixa de conteúdo de Li2O é de 0,05-0,7%.

[038] Além disso, a composição de fibra de vidro da presente invenção permite a existência de uma pequena quantidade de flúor (F2) . A faixa de conteúdo restrita de F2 é menor do que 0,5%. No entanto, considerando o grande impacto negativo de flúor sobre o meio ambiente, normalmente o mesmo não é adicionado intencionalmente.

[039] Na composição de fibra de vidro da presente invenção, os efeitos benéficos produzidos pelas faixas selecionadas acima mencionadas dos componentes irão ser explicados através dos dados experimentais específicos determinados nos exemplos fornecidos abaixo.

[040] Os seguintes são exemplos de faixas de conteúdo preferidas dos componentes contidos na composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção.Exemplo Preferido 1SiO2 59-62%A12O3 14,5-18%CaO > 10,5% e < 11,8%MgO 8-10,5%SrO 0,5-2%

[041] A composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, compreende os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[042] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl= (MgO + SrO)/CaO é de 0,75-1,1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é menor do que 1,4.

Exemplo Preferido 2

[043] A composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, contém os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[044] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

Exemplo Preferido 3

[045] A composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, contém os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

[046] Em que, a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

[047] Enquanto isso, o vidro obtido de acordo com a composição do Exemplo Preferido 3 tem propriedades mecânicas excelentes. Geralmente, os seus módulos Jovens são maiores do que 84 GPa e menores do que 91,5 GPa. Quando estimado com base na densidade do vidro, geralmente seus módulos Jovens específicos são maiores do que 32 MPa/(kg/m3) e menores do que 35,5 MPa/(kg/m3) .

DESCRIÇÃO DETALHADA E MODALIDADES DA INVENÇÃO

[048] A fim de melhor clarificar as finalidades, soluções técnicas e vantagens dos exemplos da presente invenção, as soluções técnicas nos exemplos da presente invenção são claramente e completamente descritas abaixo. Obviamente, os exemplos aqui descritos são apenas uma parte dos exemplos da presente invenção e não são todos os exemplos. Todas as outras modalidades exemplares obtidas por um versado na técnica com base nos exemplos da presente invenção, sem executar o trabalho criativo devem todas cair no escopo de proteção da presente invenção. O que precisa ser claro é que, enquanto não há nenhum conflito, os exemplos e as características dos exemplos na presente invenção podem ser combinados arbitrariamente uns com os outros.

[049] 0 conceito básico da presente invenção é que os componentes da composição de fibra de vidro expressos em percentual em peso, são: 58-64% de SÍO2, 14-19% de AI2O3, 8,8% e < 11,8% de CaO, 7,5-11% de MgO, 0,2-2,7% de SrO, 0,1-2% de Na2O + K2O, 0,05-0,9% de Li20, 0,05-1% de Fe2O3, 0,05-1,1% de TÍO2 e < 0,5% de F2, em que a faixa da relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,75-1,1 e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é menor do que a 1,4. De preferência, a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO pode ser ainda definida para ser maior do que 1 e menor do que 1,3. A composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, pode ultrapassar o problema de temperatura de liquefação alta e taxa muito alta de cristalização nos vidros de alto desempenho tradicionais que conduzem à alta tendência para a cristalização e a dificuldade de alcançar alta produção eficiente em larga escala, significativamente diminui a temperatura de liquefação de vidro de alto desempenho, aumenta a temperatura de pico de cristalização de vidro, diminui o grau de cristalização de vidro sob as mesmas condições e, por sua vez, tem um índice refrativo de vidro excelente o que melhora muito a transparência dos artigos reforçados de fibra de vidro.

[050] Os valores de conteúdo específicos de SÍO2, AI2O3, CaO, MgO, SrO, Na2O, K20, Fe2O3, Li2O e TÍO2 na composição defibra de vidro da presente invenção são selecionados para serem usados nos exemplos e comparações com o vidro E livre de boro, vidro R tradicional e vidro R aperfeiçoado são feitos em termos dos seguintes seis parâmetros de propriedade:(1) Temperatura de formação, a temperatura à qual o vidro fundido apresenta uma viscosidade de 103 poise.(2) Temperatura de liquefação, a temperatura à qual os núcleos cristalinos começam a formar quando o vidro fundido é arrefecido, isto é, a temperatura limite superior para a cristalização de vidro.(3) Valor de ΔT, o qual é a diferença entre a temperatura de formação e a temperatura de liquefação e indica a faixa de temperatura, em que o desenho de fibra pode ser realizado.(4) Temperatura de cristalização de pico, a temperatura à qual corresponde ao pico mais forte de cristalização de vidro durante o teste de DTA. Geralmente, quanto maior for esta temperatura, mais energia é necessária por núcleos cristalinos para crescer e menor é a tendência de cristalização de vidro.(5) índice refrativo, a relação da velocidade da luz no ar e a velocidade da luz no vidro.(6) Módulo Jovem, o módulo elástico linear que define a capacidade do vidro para resistir à deformação elástica.

[051] Os seis parâmetros acima mencionados e os métodos de medição dos mesmos são bem conhecidos por um versado na técnica. Portanto, os parâmetros acima mencionados podem ser eficazmente usados para explicar as propriedades da composição de fibra de vidro da presente invenção. Além disso, os inventores também empregaram um difratômetro de raio X e um varrimento de microscópio de elétron para observar o tipo, a aparência e o estado de cristalização das fases cristalinas.

[052] Os procedimentos específicos para as experiências são como segue: Ceada componente pode ser adquirido a partir das matérias-primas apropriadas. Misturar as matérias-primas nas relações adequadas, de modo que cada componente atinge o percentual em peso final esperado. As bateladas mistas se fundem e o vidro fundido se refina. Em seguida, o vidro fundido é arrastado para fora através das pontas das buchas, formando assim, a fibra de vidro. A fibra de vidro é atenuada para a pinça rotativa de um enrolador para formar bolos ou embalagens. É claro que, os métodos convencionais podem ser usados para o processo profundo destas fibras de vidro para satisfazer os requisitos esperados.

[053] As modalidades exemplares da composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, são fornecidas abaixo.

[054] Em que, a relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 0,91, e relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é de 1,25.

[055] No Exemplo 1, os valores medidos dos seis parâmetros, respectivamente, são:

[056] Em que, a relação percentual em peso Cl - (MgO + SrO)/CaO é de 0,82 e a relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é de 1,27.

[057] No Exemplo 2, os valores medidos dos seis parâmetros, respectivamente, são:

[058] Em que, a relação percentual em peso Cl = (MgO + SrO)/CaO é de 1,0, e a relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é de 1,22.

[059] No exemplo 3, os valores medidos dos seis parâmetros, respectivamente, são:

[060] As comparações dos parâmetros de propriedades dos exemplos acima mencionados e outros exemplos da composição de fibra de vidro da presente invenção com as do vidro E livre de boro, vidro R tradicional e vidro R aperfeiçoado são ainda feitas abaixo a título de tabelas, em que os conteúdos do componente da composição de fibra de vidro são expressos como percentual em peso. 0 que precisa ser claro, é que a quantidade total dos componentes nos exemplos é ligeiramente menor do que 100%, e deve ser entendido que a quantidade restante é impurezas vestigiais ou uma pequena quantidade de componentes que não podem ser analisados.

[061] Pode ser visto a partir dos valores indicados nas tabelas acima que, em comparação com o vidro R tradicional e o vidro R aperfeiçoado, a composição de fibra de vidro da presente invenção tem as seguintes vantagens: (1) temperatura de liquefação muito menor, a qual ajuda a reduzir o risco de cristalização e aumentar desenho da fibra eficiente; (2) temperatura de cristalização de pico relativamente alta, a qual indica que mais energia é necessária para a formação e crescimento de núcleos cristalinos durante o processo de cristalização do vidro, isto é, o risco de cristalização do vidro da presente invenção é menor sob as mesmas condições; (3) as fases cristalinas mostram cristalinidade menos completa, o tamanho de grão cristalino relativamente menor e disposição desordenada, o que indica que o grau de cristalização do vidro da presente invenção é menor, o que reduz ainda mais o risco de cristalização; além disso, os exemplos que satisfazem as faixas preferidas de ambos as relações Cl e C2 têm efeitos significativamente mais aperfeiçoados, e (4) índice refrativo de vidro significativamente aperfeiçoado. Ao mesmo tempo, em comparação com o vidro R aperfeiçoado, a composição de fibra de vidro da presente invenção tem módulo maior, a qual indica que a estrutura de empilhamento compacta alcançada pelo efeito alcalino-terroso ternário concebido da presente invenção tem um efeito maior sobre o desempenho das propriedades mecânicas do vidro. Além disso, em comparação com o vidro E livre de boro de corrente principal, o desempenho de cristalização e desempenho de formação da composição de fibra de vidro da presente invenção são similares e satisfazem as exigências da alta produção eficiente em larga escala com fornos de revestimento refratários.

[062] Pode ser visto a partir do acima, que a composição de fibra de vidro da presente invenção tem avanço progresso em melhorar o desempenho da cristalização e no índice refrativo dos vidros de grau de vidro R, tem grandemente o risco de cristalização reduzido e significativamente o índice refrativo aumentado sob as mesmas condições. Além disso, o desempenho de cristalização e o desempenho de fibrização da solução técnica geral são similares aos do vidro E livre de boro de corrente principal e permite a fácil obtenção da alta produção eficiente em larga escala com um processo de fusão direto em um forno de revestimento refratário.

[063] A composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, pode ser usada para a fabricação das fibras de vidro tendo as propriedades excelentes acima mencionadas.

[064] A composição de fibra de vidro, de acordo com a presente invenção, em combinação com um ou mais materiais orgânicos e/ou materiais inorgânicos pode ser usada para a preparação de materiais compósitos com desempenhos excelentes, tais como materiais à base de fibra de vidro reforçada.

[065] Finalmente, o que deve ficar claro é que, neste texto, os termos "contém", "compreende" ou quaisquer outras variantes destinam-se a significar "incluir não- exclusivamente", de modo que qualquer processo, método, artigo ou equipamento que contém uma série de fatores deve incluir não somente tais fatores, mas também incluir outros fatores que não estão listados explicitamente, ou também incluir fatores intrínsecos de tal processo, método, objeto ou equipamento. Sem mais limitações, fatores definidos pela frase "contêm um/a ..." não descartam que existem outros mesmos fatores no processo, método, artigo ou equipamento que incluem os referidos fatores.

[066] Os exemplos acima são fornecidos apenas com a finalidade de ilustrar, em vez de limitar as soluções técnicas da presente invenção. Embora a presente invenção seja descrita em detalhes, por meio de exemplos acima mencionados, um versado na técnica deverá entender que modificações também podem ser feitas para as soluções técnicas incorporadas por todos os exemplos acima mencionados ou substituição equivalente pode ser feita para algumas das características técnicas. No entanto, tais modificações ou substituições não farão com que as soluções técnicas resultantes desviam-se substancialmente a partir dos intervalos e faixas das soluções técnicas, respectivamente, incorporados por todos os exemplos da presente invenção.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL DA INVENÇÃO

[067] A composição de fibra de vidro da presente invenção não só assegura que a fibra de vidro tem propriedades mecânicas altas e temperatura de formação baixa, mas também supera o problema de temperatura de liquefação muito alta e taxa de cristalização muito alta nos vidros de alto desempenho tradicionais que levam à alta tendência para a cristalização e a dificuldade de alcançar alta produção eficiente em larga escala, diminui significativamente a temperatura de liquefação de vidro de alto desempenho, aumenta a temperatura de pico de cristalização de vidro, diminui o grau de cristalização de vidro sob as mesmas condições e, por sua vez, tem um índice refrativo de vidro excelente que melhora muito a transparência dos artigos reforçados de fibra de vidro.

Claims

1. Composição de fibra de vidro caracterizada porcompreender os seguintes componentes expressos empercentuais em peso:

em que, a faixa da relação percentual em peso C1 = (MgO + SrO)/CaO é de 0,75-1,1 e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é menor do que 1,4.

2. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

3. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a faixa da relação percentual em peso C1 = (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1.

4. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o conteúdo de CaO expresso como percentual, em peso, é maior do que 10,5% e menor ou igual a 11,5%.

5. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

em que, a relação percentual em peso C1 = (MgO + SrO)/CaO é de 0,75-1,1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é menor do que 1,4.

6. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

em que, a faixa da relação percentual em peso C1 = (MgO + SrO)/CaO é de 0,8-1, e a faixa da relação percentual em peso C2 = CaO/MgO é maior do que 1 e menor do que 1,3.

7. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender os seguintes componentes expressos em percentuais em peso:

8. Fibra de vidro caracterizada por ser produzida a partir de qualquer uma das composições de fibras de vidro, conforme definidas nas reivindicações 1 a 7.

9. . Material compósito caracterizado por incorporar a fibra de vidro, conforme definida na reivindicação 8.