BR112017005496B1

BR112017005496B1 - Composição de fibra de vidro, fibra de vidro e material compósito a partir dela

Info

Publication number: BR112017005496B1
Application number: BR112017005496-5A
Authority: BR
Inventors: Guorong Cao; Lin Zhang; Wenzhong Xing; Guijiang Gu
Original assignee: Jushi Group Co., Ltd.
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2021-10-26
Also published as: CN104743888A; US10155686B2; CA2961678A1; CN104743888B; BR112017005496A2; CA2961678C; BR112017005496B8; ZA201701506B; MX2017003601A; US20170283309A1; WO2016045222A1

Abstract

COMPOSIÇÃO DE FIBRA DE VIDRO, FIBRA DE VIDRO E MATERIAL COMPÓSITO A PARTIR DELA. A presente invenção proporciona uma composição de fibra de vidro, fibra de vidro e material dela compósito. A composição de fibra de vidro compreende os seguintes componentes expressos em percentual em peso: 56-64% SiO2, 12-18% A12O3, 0,1-4% Na2O, 0,1-1% K2O, 0,1-1% Fe2O3, 0,05-1% Li2O+Bi2O3, 19=25% CaO+MgO+SrO, 0,1-1,5% TiO2 e 0-1% CeO2, em que uma razão percentual em peso Cl = Li2O/Bi2O3 é superior a 1, e uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,4-1; e a razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior que 0,7. A referida composição a quantidade de bolhas, viscosidade e risco de cristalização do vidro, e tornando-o assim mais adequado para a produção em larga escala com fornos com revestimento refratário.

Description

[001] Este pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Chinês 201410487975.1, depositado em 22 de setembro de 2014 e intitulado "A Glass Fiber Composition, Glass Fiber and Composite Material Therefrom",cujo conteúdo é aqui incorporado por referência.

Campo da Invenção

[002] A presente invenção se refere a uma composição de fibra de vidro, especificamente para uma composição de fibra de vidro de alto desempenho que pode ser usada como um material de base de reforço para compósitos, e a uma fibra de vidro e um material dela compósito.

Fundamentos da Invenção

[003] A fibra de vidro é um material de fibra inorgânica 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, as fibras de vidro de alto desempenho foram originalmente usadas principalmente na indústria de defesa nacional, tal como a indústria aeronáutica, aeroespacial e militar. Com o progresso da ciência e da tecnologia e o desenvolvimento da economia, fibras de vidro de alto desempenho têm sido amplamente utilizadas em campos civis e industriais, tais como motores, pás de vento, recipientes de pressão, tubos de petróleo offshore, aparelhos esportivos e indústria automobilística.

[004] Uma vez que os EUA desenvolveram a fibra de vidro S-2, diferentes paises competiram no desenvolvimento de fibras de vidro de elevado desempenho com várias composições, por exemplo, fibra de vidro R desenvolvida pela França, fibra de vidro HiPer-tex desenvolvida pelos EUA e fibra de vidro de alta resistência 2# desenvolvida pela China. As composições de vidro de alto desempenho originais foram baseadas em um sistema MgO-A12O3-SiC>2 e uma solução tipica foi o vidro S-2 dos EUA. No entanto, a produção do vidro S- 2 é excessivamente dificil, uma vez que a sua temperatura de formação é de cerca de 1571 °C e sua temperatura liquidus até 1470 °C e, portanto, é dificil realizar a produção industrial em larga escala.

[005] Em seguida, a fim de diminuir a temperatura de fusão e a temperatura de formação do vidro para melhor satisfazer as necessidades de produção em larga escala com fornos com revestimento refratário, as grandes empresas estrangeiras desenvolveram sucessivamente vidros de alto desempenho baseados em um sistema Mgθ-Caθ-A12θ3-Siθ2. Soluções tipicas foram o vidro R da França e o vidro HiPer- tex dos EUA, que foram um equilíbrio para a escala de produção, sacrificando algumas das propriedades do vidro. No entanto, como estas soluções concebidas eram demasiado conservadoras, especialmente o conteúdo de AI2O3 foi mantido a mais de 20%, de preferência 25%, a produção de vidro permaneceu muito dificil. Embora a produção em pequena escala com fornos com revestimento refratário tenha sido alcançada, a eficiência de produção era baixa e a razão entre custo e desempenho dos produtos não era elevada. 0 vidro R tradicional é dificil de quebrar em fibras, uma vez que a sua temperatura de formação é de cerca de 1410 °C e a sua temperatura liquidus até 1330 °C, o que dificulta a atenuação das fibras de vidro e, consequentemente, a produção industrial em grande escala.

[006] A fibra de vidro de alta resistência principalmente SÍO2, AI2O3 e MgO, e também são introduzidas certas quantidades de LÍ2O, B2O3, CeCh e Fβ2θ3. Ela também tem alta resistência e alto módulo e sua temperatura de formação é apenas de cerca de 1245 °C e sua temperatura liquidus é 1320 °C. Ambas as temperaturas são muito mais baixas do que as da fibra de vidro S. No entanto, uma vez que a sua temperatura de formação é inferior à sua temperatura liquidus,o que é desfavorável para o controle da atenuação das fibras de vidro, a temperatura de formação tem de ser aumentada e pontas especialmente moldadas devem ser usadas para evitar que ocorra um fenômeno de cristalização do vidro no processo de atenuação da fibra. Isso provoca dificuldade no controle da temperatura e também dificulta a realização da produção industrial em grande escala.

[007] Devido à restrição das condições de produção, ou seja, a inadequação da produção industrial em larga escala, as fibras de vidro de elevado desempenho atualmente disponíveis são muito caras, tanto pelos seus elevados custos de produção como pelos preços de venda, o que conduz a uma produção muito reduzida destas fibras. Elas são utilizadas apenas em campos de aplicação limitados, como a aeronáutica, aeroespacial e militar, e não podem satisfazer as grandes demandas dos novos campos, como pás de vento de alta potência, tubulações de alta pressão e vasos de pressão.

Sumário da Invenção

[008] Um dos propósitos da presente invenção é proporcionar uma composição de fibra de vidro de elevado desempenho que possa não apenas garantir que a fibra de vidro tenha elevadas propriedades mecânicas, mas que também supere a questão das elevadas temperaturas de formação e liquidus nos vidros de alto desempenho tradicionais, o que leva a dificuldades na clarificação e homogeneização da massa fundida de vidro e que alcance a produção em larga escala, melhore grandemente a qualidade da massa fundida de vidro, diminua significativamente a quantidade de bolhas na massa fundida de vidro sob as mesmas condições e, ao mesmo tempo, tenha um indice de refração do vidro excepcional, o que melhora grandemente a transparência de artigos reforçados com fibras de vidro.

[009] De acordo com um aspecto da presente invenção, é proporcionada uma composição de fibra de vidro compreendendo os seguintes componentes expressos em percentual em peso:

em que uma razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 é maior do que 1; uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,4-1; uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior do que 0,7.

[010] Em que, uma razão percentual em peso Cl = LÍ2O/BÍ2O3 é de 2-12.

[011] Em que uma razão percentual em peso C2 = 3 Rub 0,45-0,9; e uma razão percentual em pesαo

[012] Em que o intervalo do teor de CaO em percentual em peso é maior do que 9,5% e menor do que 12%.

[013] Em que o intervalo do teor de BÍ2O3 em percentual em peso é de 0,02-0,35%.

[014] Em que a composição compreende os componentes a seguir expressos como percentual em peso:

em que uma razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 é maior do que 1; uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,45-0,9; uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior do que 0,85.

[015] Em que o intervalo do teor de SrO por percentual em peso é 0,02-1,5%.

[016] Em que a composição compreende os componentes a seguir expressos como percentual em peso:

em que uma razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 é 2-12;; uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,45-0,9; uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior do que 0,85.

[017] De acordo com outro aspecto desta invenção, é proporcionada uma fibra de vidro produzida com a referida composição de fibra de vidro.

[018] De acordo com ainda outro aspecto desta invenção, é proporcionado um material compósito que incorpora a referida fibra de vidro.

[019] Ao configurar razoavelmente o intervalo de conteúdo de LÍ2O + BÍ2O3, o intervalo da razão de LÍ2O / BÍ2O3 e a razão de conteúdo entre CaO, MgO e SrO, e utilizando o efeito sinérgico de LÍ2O e BÍ2O3 e o efeito de alcalino- terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO , a composição de fibra de vidro da presente invenção garante que a fibra de vidro resultante não apenas possui propriedades mecânicas elevadas, mas também tem os desempenhos de fusão, clarificação e formação de fibras que são próximos daqueles do vidro E, embora tendo as temperaturas de fusão e formação significativamente menores do que aquelas do vidro R tradicional e, ao mesmo tempo, ainda reduz a quantidade de bolhas, viscosidade e risco de cristalização do vidro, assim tornando-o mais adequado para produção em larga escala com fornos com revestimento refratário.

[020] Especificamente, a composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção compreende os seguintes componentes expressos em percentagem em peso:

em que uma razão percentual em peso Cl = Li∑O / BÍ2O3 é maior do que 1, e uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,4-1, e uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior do que 0,7.

[021] O efeito e o conteúdo de cada componente na referida composição de fibra de vidro é descrito como segue: SÍO2 é um óxido principal que forma a rede de vidro e tem o efeito de estabilizar todos os componentes. Na composição de fibra de vidro da presente invenção, a intervalo de conteúdo restrito de SiOz é de 56-64%. O conteúdo de SÍO2 demasiado baixo afetará as propriedades mecânicas do vidro; o conteúdo de SÍO2 demasiado elevado fará com que a viscosidade do vidro seja excessivamente elevada, resultando assim em questões de fusão e clarificação. De preferência, o intervalo do conteúdo de SÍO2 pode ser de 58- 62%. . , T cy

[022] AI2O3 é outro óxido que forma a rede de vidro. ; Quando combinado com SÍO2, pode ter um efeito substantivo sobre as propriedades mecânicas do vidro e um efeito significativo sobre a prevenção da separação de fases do vidro e sobre a resistência à água. O intervalo de conteúdo restrito de AI2O3 na composição de fibra de vidro desta invenção é de 12-18%. O conteúdo de AI2O sendo demasiado baixo irá aumentar a temperatura liquiduse, ao mesmo tempo, diminuir as propriedades mecânicas e resistência à água do vidro; o conteúdo de AI2O3 sendo demasiado elevado fará com que a viscosidade do vidro seja excessivamente elevada, resultando assim em questões de fusão e clarificação, e aumentar o risco de desvitrificação do vidro. De preferência, o conteúdo de AI2O3 pode ser de 14-16,5%.

[023] Tanto K2O como Na2O podem reduzir a viscosidade do vidro e são bons agentes fundentes. A substituição de Na∑O por K2O, embora mantendo a quantidade total de óxidos de metal alcalino inalterada, pode reduzir a tendência de cristalização do vidro, melhorar o desempenho da fibragem e também reduzir a tensão superficial do vidro fundido e melhorar o desempenho de fusão do vidro. Por conseguinte, na composição de fibra de vidro da presente invenção, pode ser alcançado um efeito favorável restringindo o intervalo do conteúdo de Na2Ü entre 0,1-1% e o intervalo do conteúdo de K2O entre 0,1-1%.

[024] Fe2θ3 facilita a fusão do vidro e pode também melhorar o desempenho de cristalização do vidro. No entanto, uma vez que os ions férricos e os ions ferrosos têm um efeito de coloração, a quantidade introduzida deve ser limitada. Por conseguinte, na composição de fibra de vidro da presente 1%.

[025] O CeOz pode não apenas produzir um excelente efeito de clarificação não tóxico, como também oxidar uma porção dos ions ferrosos em ions férricos e iluminar a cor verde da fibra de vidro. Visto que os vidros de alta resistência na técnica anterior são difíceis de clarificar e homogeneizar, a fim de assegurar a qualidade de clarificação e homogeneização da massa fundida de vidro, uma quantidade adequada de CeCh é introduzida na composição de fibra de vidro desta invenção. 0 intervalo de conteúdo restrito de CeOa nesta invenção é de 0 ~ 1%. De preferência, o teor de CeO2 pode ser de 0,02 ~ 0,4%.

[026] TÍO2 pode não apenas reduzir a viscosidade do vidro a elevadas temperaturas, mas também tem um certo efeito fundente. Por conseguinte, uma determinada quantidade de TÍO2 é introduzida na composição de fibra de vidro na composição de fibra de vidro da presente invenção, e o intervalo de conteúdo restrito de TiO∑ é de 0,1-1,5%.

[027] L12O e BÍ2O3 também podem ser incluídos na composição de fibra de vidro da presente invenção. A introdução destes dois componentes isoladamente pode produzir efeitos benéficos respectivamente. Em comparação com Na2θ e K2O, LÍ2O pode não apenas reduzir significativamente a viscosidade do vidro, melhorando assim o desempenho de fusão do vidro, mas também ajudar a melhorar as propriedades mecânicas do vidro. BÍ2O3 é um agente fundente altamente eficaz e, quando introduzido em uma quantidade apropriada, pode melhorar eficazmente o desempenho de fusão do vidro, facilitando a remoção de bolhas RuB -õ de vidro e melhorando a homogeneidade do f tempo, desempenhar um papel positivo sobre a viscosidade e a temperatura de cristalização do vidro, garantindo assim a estabilidade do processo de formação da fibra. Além disso, BÍ2O3 também pode ajudar a aumentar o ponto de amolecimento e o indice de refração do vidro. No entanto, uma quantidade excessiva de BÍ2O3 pode facilmente reduzir a resistência à flexão e à compressão do vidro. Por conseguinte, o BÍ2O3 precisa ser introduzido em uma quantidade adequada.

[028] Os inventores verificaram a partir de uma grande quantidade de experimentos e pesquisas que BÍ2O3 é um formador de vidro condicional. Especificamente, em um sistema de vidro apropriado, quando há oxigênio livre suficiente e muitos ions metálicos com elevada intensidade de campo iônico, o BÍ2O3 pode ter um melhor efeito fundente sobre o estado de fusão a temperaturas elevadas e, no estado de formação de fibras a temperaturas mais baixas, o BÍ2O3 pode entrar na rede do vidro mais facilmente na forma de BiOe e, ao mesmo tempo, ele reforça mais eficazmente a estrutura da rede devido ao efeito de acúmulo de ions metálicos de alta intensidade de campo. No entanto, todas as condições acima podem ser exatamente satisfeitas com LÍ2O. Por conseguinte, BÍ2O3 e LÍ2O são utilizados simultaneamente na invenção. Os inventores verificaram a partir das pesquisas que, quando BÍ2O3 e LÍ2O são utilizados simultaneamente com uma quantidade total relativamente baixa deles e a uma razão adequada entre eles, o efeito global é muito melhor do que o efeito cumulativo produzido quando BÍ2O3 e LÍ2O são utilizados separadamente. Portanto, é muito importante

[029] A composição de fibra de vidro da presente invenção incluindo tanto LÍ2O quanto BÍ2O3 pode aumentar significativamente os efeitos benéficos do BÍ2O3, por exemplo, melhoria do efeito de fusão do vidro, remoção eficaz de bolhas da massa de fusão do vidro, melhoria da homogeneidade do vidro e aumento do ponto de amolecimento e do indice de refração. Por outro lado, com a introdução de Li∑O, o vidro incluindo BÍ2O3 não irá reduzir a resistência à flexão e à compressão. Os inventores verificaram a partir de experiências e pesquisas que, na composição de fibra de vidro da presente invenção, o efeito benéfico de LÍ2O e BÍ2O3 pode ser bem alcançado quando o intervalo do conteúdo restrito de LÍ2O + BÍ2O3 é de 0,05-1% e a razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 é maior do que 1. No entanto, devido ao alto custo de BÍ2O3 e LÍ2O, bem como o efeito negativo potencial do alto teor de BÍ2O3 sobre a resistência à flexão e à compressão do vidro, o conteúdo restritivo de LÍ2O + BÍ2O3 é relativamente baixo no presente pedido de patente. Preferencialmente, o conteúdo restritivo de LÍ2O + BÍ2O3 pode ser de 0,1-0,9% e, mais preferencialmente, 0,2-0,8%. De modo a assegurar que uma pequena quantidade de BÍ2O3 possa entrar na rede de vidro tanto quanto possível na forma de BiOe, é necessário manter a razão Cl = LÍ2O / BÍ2O3 maior do que 1, onde uma quantidade relativamente grande de íons de lítio e oxigênio livre irá reforçar significativamente os efeitos benéficos produzidos por BÍ2O3. Portanto, esses efeitos serão cada vez mais aumentados à medida que a razão Cl aumenta, enquanto o teor de BÍ2O3 permanece inalterado. Contudo, essa alteração tende a diminuir quando Cl excede 7,5.

[030] Os efeitos benéficos alcançados através do uso de uma combinação de LizO e BÍ2O3 serão explicados através dos parâmetros específicos apresentados nas tabelas que seguem.

[031] A composição de fibra de vidro desta invenção utiliza o efeito de alcalino-terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO. De um modo geral, o efeito de alcalino-terrosos mistos ternários CaO e MgO é bem conhecido para o especialista na matéria, enquanto o efeito de alcalino- terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO, particularmente o especial em que o conteúdo de CaO + MgO + SrO é de até 19% ou mais e o teor de SrO não superior a 2%, foi raramente relatado. O que segue é uma descrição detalhada do efeito de alcalino-terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO na presente invenção e como os conteúdos destes três componentes são determinados respectivamente.

[032] Em primeiro lugar, para comparação, o efeito de alcalino-terrosos mistos binários CaO e MgO é brevemente descrito. O CaO tem principalmente o efeito de regular a viscosidade do vidro e controlar a cristalização do vidro. MgO tem o mesmo efeito e, devido à maior intensidade de campo de Mg2+, desempenha um papel significativo no aumento da resistência e módulo do vidro. Por outro lado, a desvantagem de MgO reside no fato de que uma quantidade excessiva dele irá aumenta a tendência de cristalização e a velocidade do vidro, resultando assim em um risco de precipitação de cristais (por exemplo, diopsida) na massa fundida de vidro. Determinando racionalmente a razão do conteúdo de CaO para MgO e tirando proveito do crescimento competitivo entre os dois cristais, isto é, anortita (CaA12SÍ2O3) e diopsida (CaMgSiaOe) , o crescimento dos dois cristais alcançando assim o objetivo de reduzir desvitrificação.

[033] Verificou-se a partir de uma grandeexperimentos e pesquisas que, quando suas razões são racionais, o efeito técnico do efeito de alcalino-terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO é melhor do que o do efeito de alcalino-terrosos mistos binários CaO e MgO. Isto porque, à medida que mais ions de metais alcalino-terrosos com diferentes raios participam do processo de substituição, uma estrutura de empilhamento compacta se forma mais facilmente e, deste modo, o vidro tem melhores propriedades mecânicas, ópticas e de resistência à corrosão. No que se refere à introdução de CaO, MgO e SrO na composição de fibra de vidro da invenção, para se alcançar uma estrutura de empilhamento compacta, a correspondência entre os números de três tipos de ions, ou seja, Ca2+, Mg2+ e Sr2+, nesta invenção se torna muito importante. Uma vez que os raios iônicos de Mg2+, Ca2+ e Sr2+ se tornam sequencialmente maiores, os ions com o menor raio e aqueles com o maior raio precisam ser bem combinados. A pesquisa mostra que, quando uma pequena quantidade de SrO é introduzida na composição de fibra de vidro e a razão (MgO + SrO) / CaO é racionalmente ajustada, a tendência e a velocidade da cristalização do vidro podem ser controladas de forma eficaz e uma certa quantidade de SrO é introduzida apenas quando o teor de MgO é relativamente elevado. Uma razão de MgO / SrO dentro de um intervalo razoável aumenta grandemente o efeito de alcalino-terrosos mistos. Portanto, ao tomar CaO, MgO e SrO como parâmetros para o controle das propriedades mecânicas, ópticas e de cristalização da fibra componentes nos correspondentes sistemas de vidro de modo a obter melhores propriedades mecânicas e ópticas e menores temperatura e risco de cristalização.

[034] Por conseguinte, a presente invenção considera de forma abrangente o efeito de alcalino-terrosos mistos ternários CaO, MgO e SrO e seleciona um conteúdo apropriado de SrO para ser capaz de alcançar propriedades mecânicas mais elevadas, uma temperatura e risco de cristalização mais baixos e um indice de refração do vidro melhorado. Além disso, os inventores verificaram a partir de pesquisas sobre SrO que SrO em um sistema de vidro com elevados conteúdos de óxidos de metais alcalino-terrosos pode não apenas aumentar o indice de refração do vidro, mas também melhorar eficazmente a sua resistência à compressão. No entanto, como os pesos moleculares de ambos os óxido de estrôncio e óxido de bismuto são relativamente altos, uma adição excessiva de qualquer um deles levará a um aumento da densidade do vidro, o que terá um impacto negativo sobre a resistência especifica e o módulo especifico da fibra de vidro. Por conseguinte, uma quantidade relativamente pequena de SrO é introduzida na composição de fibra de vidro da presente invenção. O intervalo de conteúdo restrito de CaO + MgO + SrO na presente invenção é de 19-25%, em que o intervalo do conteúdo de SrO é de 0-2%, e uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,4-1, e uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior do que 0,7. De preferência, o intervalo de conteúdo restrito de CaO + MgO + SrO na presente invenção é de 20-24% e, mais preferencialmente, 21-23,5%. Preferencialmente, o intervalo do conteúdo de SrO pode ser 0,02-1,5%. N

[035] Além disso, a nossa pesquisa mostra que, do ponto de vista da substituição simples, em comparação com CaO, SrO pode melhorar a resistência à compressão e o indice de retração do vidro e a diferença no seu efeito sobre a taxa de endurecimento do vidro fundido (trabalhabilidade) é grande; em comparação com MgO, SrO pode melhorar a resistência à tração, o módulo de elasticidade e o indice de refração do vidro e a diferença em seu efeito sobre a taxa de endurecimento do vidro fundido é pequena. Além disso, em comparação com CaO, MgO pode melhorar o módulo de elasticidade e reduzir a temperatura de cristalização do vidro, e a diferença em seu efeito sobre a taxa de endurecimento do vidro fundido é grande. Ao mesmo tempo, considerando a correspondência entre os tamanhos de ions, é apropriado controlar a razão da soma de SrO e MgO para CaO. Os inventores verificaram que, quando o intervalo de C2 é mantido a 0,4-1 e C3 superior a 0,7 com um conteúdo do óxido de estrôncio não superior a 2%, as propriedades mecânicas e o indice de refração do vidro melhoraram de um modo especialmente significativo por um lado; por outro lado, a temperatura de cristalização e o grau do vidro diminuiram de forma especialmente notável, e ainda mais, a densidade do vidro aumenta muito ligeiramente. Os inventores acreditam que isto seja talvez porque o empilhamento dos óxidos de alcalino-terrosos ternários é tão compacto na premissa dos intervalos acima, que a estrutura de vidro se torna especialmente estável, resultando assim em uma melhoria inesperada das propriedades do vidro. Além disso, é notável que, na premissa dos intervalos acima, quando o conteúdo de CaO é superior a 9,5% e inferior a 12%, o módulo do será particularmente notável. Por contraste, quando a razão C2 = (MgO + SrO) / CaO é inferior a 0,4, aconteceriam esses inconvenientes como um módulo de elasticidade dramaticamente diminuído, uma força de compressão demasiado baixa e uma taxa de endurecimento demasiado baixa do vidro fundido, o que provoca não apenas que as propriedades do vidro serão deterioradas, mas também que a eficiência de fibragem do vidro será prejudicada.

[036] Além disso, a composição de fibra de vidro da presente invenção permite a existência de uma pequena quantidade de flúor. No entanto, considerando o grande impacto negativo do flúor no ambiente, normalmente ele não é intencionalmente adicionado.

[037] Nas modalidades de acordo com a presente invenção, preferencialmente a razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 pode ser de 2-12, e a razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO pode ser de 0,45-0,9 e a razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) pode ser superior a 0,85.

[038] Mais preferencialmente, a razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 pode ser de 7,5 e a razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO pode ser de 0,85 e a razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) pode ser de 0,85.

[039] Verificou-se através de experiências e pesquisas adicionais que resultados mais vantajosos podem ser obtidos determinando-se racionalmente os intervalos de conteúdo para LiaO, BÍ2O3 e SrO respectivamente, em que o intervalo de conteúdo de LÍ2O no percentual em peso pode ser de 0,1-0,7% e o intervalo de conteúdo de BÍ2O3 0,02-0,35%, e o intervalo de conteúdo de SrO 0,02-1,5%.

[040] Na composição de fibra de vidro da presente invenção, os efeitos benéficos produzidos pelos intervalos selecionados acima mencionados dos componentes serão explicados através dos dados experimentais específicos fornecidos abaixo.

[041] Os seguintes são exemplos de intervalos de conteúdo preferidos dos componentes contidos na composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção.

Exemplo Preferido 1

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

em que uma razão em percentual em peso Cl = Li20 / Bi203 é maior do que 1, e a razão percentual em peso C2 = (MgO 4- SrO) / CaO é de 0,45-0,9 e uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior que 0,85.

Exemplo Preferido 2

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

em que uma razão percentual em peso Cl = Li20 / Bi203 é de 2- 12, e uma razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,45-0,9 e uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior que 0,85.

Exemplo Preferido 3

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

Descrição Detalhada da Invenção

[045] A fim de melhor esclarecer os objetivos, soluções técnicas e vantagens dos exemplos da presente invenção, as soluções técnicas nos exemplos da presente invenção são claramente e completamente descritas abaixo por meio dos desenhos nos exemplos. Obviamente, os exemplos aqui descritos são apenas parte dos exemplos da presente invenção e não são todos os exemplos. Todas as outras modalidades exemplificativas obtidas por um especialista na técnica com base nos exemplos da presente invenção sem realização de trabalho criativo devem estar todas dentro do âmbito de proteção da presente invenção. Deve ser deixado claro que, enquanto não houver conflito, os exemplos e as características dos exemplos no presente pedido de patente podem ser arbitrariamente combinados uns com os outros.

[046] O conceito básico da presente invenção é que os componentes da composição de fibra de vidro expressos como percentual em peso são: 58-64% SiO2; 12-18% AI2O3; 0,1-1% Na2O; 0,1-1% K2O; 0,1-1% Fe2O3; 0,05-1% Li2O+Bi2O3; 19-25% CaO+MgO+SrO; 0,1-1,5% TiO2; 0-2% SrO e 0-1% CeO2; em que uma razão percentual em peso Cl = Li2O/Bi2O3 é maior que 1, e uma razão percentual em peso C2 = (MgO+SrO) /CaO é de 0,4-1, e uma razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior do que 0,7. Cada componente com o conteúdo acima na composição de fibra de vidro de acordo com a invenção pode reduzir a temperatura de formação e a temperatura liquidus da fibra de vidro, proporcionar os desempenhos de fusão, clarificação e fibragem do vidro próximos àqueles do vidro 1 ** E e reduzir as temperaturas de fibragem e fusão significativamente com relação àquelas do vidro R e, ao mesmo tempo, ainda reduzir a quantidade de bolhas, viscosidade e risco de cristalização do vidro, assim tornando-o mais adequado para produção em larga escala com fornos com revestimento refratário.

[047] Os valores de conteúdos específicos de SÍO2, AI2O3, NazO, K2O, FejOa, LÍ2O, BÍ2O3, CaO, MgO, SrO, CeOz e TÍO2 na composição de fibra de vidro da presente invenção são selecionados para serem utilizados nos exemplos e comparações com o vidro E tradicional e vidro R tradicional que são feitos em termos dos seis parâmetros de propriedades a seguir, (1) Temperatura de formação, a temperatura na qual o vidro fundido tem uma viscosidade de 103 poise (10 Pa.s). (2) Temperatura liquidus, a temperatura na qual os núcleos de cristais começam a se formar quando a massa de vidro fundido arrefece, isto é, a temperatura superior limite para cristalização do vidro. (3) Valor ΔT, que é a diferença entre a temperatura de formação e a temperatura liquidus e indica o intervalo de temperaturas no qual a extração de fibras pode ser realizada. (4) Resistência do filamento, a resistência à tração que um filamento de fibra de vidro pode suportar. (5) índice de refração, a razão entre a velocidade da luz no ar e a velocidade da luz no vidro. (6) Quantidade de bolhas, a ser determinada aproximadamente em um procedimento estabelecido como a seguir: usar moldes específicos para em batelada em cada exemplo em amostras de mesma a qual será então colocada sobre a plataforma de amostra de um microscópio de elevada temperatura. Aquecer as amostras de vidro de acordo com os procedimentos padronizados até a temperatura espacial pré-definida de 1500 °C, cada uma das amostras de vidro é examinada sob um microscópio de polarização para determinar a quantidade de bolhas nas amostras. Uma bolha é identificada de acordo com uma amplificação específica do microscópio.

[048] Os seis parâmetros acima mencionados e os métodos para os medir são bem conhecidos dos especialistas na técnica. Deste modo, os parâmetros acima mencionados podem ser eficazmente utilizados para explicar as propriedades da composição de fibra de vidro da presente invenção.

[049] Os procedimentos específicos para as experiências são os seguintes: cada componente pode ser adquirido a partir das matérias-primas apropriadas; as matérias-primas são misturadas nas proporções apropriadas, de modo que cada componente atinja o percentual em peso final esperado; a batelada mista é fundida e clarificada; em seguida, o vidro fundido é extraído através das pontas das buchas, formando assim a fibra de vidro; a fibra de vidro é atenuada sobre a pinça rotativa de um enrolador para formar bolos ou embalagens. Naturalmente, métodos convencionais podem ser utilizados para processar profundamente estas fibras de vidro para satisfazer os requisitos esperados.

[050] As modalidades exemplificativas da composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção são dadas a seguir. Exemplo 1

em que a razão percentual em peso Cl = Li20 / Bi203 é de 2,0, e a razão percentual em peso 02 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,91 e a razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é de 0, 82 .

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

Exemplo 2

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

Exemplo 3

em que a razão percentual em peso Cl = Li20/Bi203 é de 12,0 e a razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,49; e a razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é de 1, 0.

[053] No Exemplo 3, os valores medidos dos seis parâmetros são respectivamente:

[054] As comparações dos parâmetros de propriedade dos exemplos acima mencionados e outros exemplos da composição de fibra de vidro da presente invenção com os do vidro E tradicional, do vidro R tradicional e do vidro R melhorado são adicionalmente feitas a seguir por meio de tabelas, em que os conteúdos de componentes da composição de fibra de vidro são expressos como percentual em peso. Deve ser deixado claro é que a quantidade total dos componentes nos exemplos é ligeiramente inferior a 100%, e deve ser entendido que a quantidade restante é de impurezas residuais ou uma pequena quantidade de componentes que não pode ser analisada. Tabela 1

Tabela 2

[055] Pode ser visto a partir dos valores nas tabelas acima que, em comparação com o vidro tradicional R, a composição de fibra de vidro da presente invenção tem as seguintes vantagens: (1) temperatura liquidus muito mais baixa, o que ajuda a reduzir o risco de cristalização e aumenta a eficiência da extração de fibras; (2) quantidade muito inferior de bolhas, o que indica uma melhora significante na qualidade da massa fundida de vidro de acordo com a presente invenção; (3) indice de refração do vidro significantemente melhorado, especialmente nos exemplos que atendem à exigência da razão Cl, os avanços são mais significativos. Ao mesmo tempo, a resistência do filamento da presente invenção é similar àquela do vidro tradicional R, e é muito superior àquela do vidro tradicional E. Especificamente, em comparação com o vidro R, a composição de fibra de vidro da presente invenção representa um avanço em termos do desempenho de fusão e indice de refração do vidro com quantidade significativamente reduzida de bolhas e indice de refração acentuadamente melhorado sob as mesmas condições. Além disso, a solução técnica global da presente invenção tem uma razão de custo desempenho mais elevada em comparação com a do vidro tradicional R ou do vidro R industrial em grande escala.

[056] Usando tanto LÍ2O quanto BÍ2O3 e determinando racionalmente a razão de conteúdo de LÍ2O para BÍ2O3, assim como as razões do conteúdo entre CaO, MgO e SrO, a presente invenção garante que a fibra de vidro resultante tem elevadas propriedades mecânicas e indice de refração significativamente melhorado; ao mesmo tempo, ela melhora grandemente as eficiências de fusão e de formação de fibras do vidro permitindo uma temperatura de fusão e uma temperatura de fibragem significativamente inferiores àquelas do vidro tradicional R, e ainda reduz a quantidade de bolhas e o risco de cristalização. Portanto, a composição de fibra de vidro da presente invenção é mais adequada para produção em larga escala com fornos com revestimento refratário.

[057] A composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção pode ser utilizada para fabricar fibras de vidro com as excelentes propriedades acima mencionadas.

[058] A composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção pode ser utilizada em combinação com um ou mais materiais orgânicos e/ou inorgânicos para preparar materiais compósitos com excelentes desempenhos, tais como materiais de base reforçados com fibra de vidro.

[059] Finalmente, deve ser esclarecido que, neste texto, os termos "conter", "compreender" ou quaisquer outras variantes pretendem significar "incluir não exclusivamente", de modo que qualquer processo, método, artigo ou equipamento que contenha uma série de fatores deve incluir não apenas esses fatores, mas também incluir outros fatores que não são explicitamente listados, ou também incluir intrínsecos desse processo, método, objeto ou equipamento. Sem mais limitações, os fatores definidos pela expressão "contêm um ..."não excluem que existam outros fatores no processo, método, artigo ou equipamento que incluam os referidos fatores.

[060] Os exemplos acima são proporcionados apenas com o objetivo de ilustrar em vez de limitar as soluções técnicas da presente invenção. Embora a presente invenção seja descrita em detalhes por meio dos exemplos acima mencionados, um especialista na matéria compreenderá que também podem ser feitas modificações às soluções técnicas incorporadas por todos os exemplos acima mencionados ou pode ser feita substituição equivalente para alguns dos recursos técnicos. No entanto, tais modificações ou substituições não farão com que as soluções técnicas resultantes se desviem substancialmente do espirito e intervalos das soluções técnicas respectivamente incorporadas por todos os exemplos da presente invenção.

Aplicabilidade Industrial da Invenção

[061] A composição de fibra de vidro da presente invenção pode reduzir a temperatura de formação e a temperatura liquidus do vidro, tornar as propriedades de fusão, clarificação e formação de fibras próximas àquelas do vidro E, permitir uma temperatura de fusão e uma temperatura de fibragem significativamente inferiores àquelas do vidro tradicional R, e ainda reduz a quantidade de bolhas, viscosidade e risco de cristalização do vidro. Portanto, a composição de fibra de vidro da presente invenção é mais adequada para produção em larga escala com fornos com prevestimento refratário. A composição de fibra de vidro acordo com a presente invenção pode ser usada para fabricar fibras de vidro com as excelentes propriedades acima mencionadas, e a composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção pode ser usada em combinação com um ou mais materiais orgânicos e/ou inorgânicos para preparar materiais compósitos com excelentes desempenhos, tais como materiais de base reforçados com fibra de vidro.

Claims

1. Composição de fibra de vidro, caracterizada por compreender os seguintes componentes expressos como percentual em peso:

em que,, uma razão percentual em peso Cl = LÍ2O/BÍ2O3 é maior do que 1, e uma razão percentual em peso C2 = (MgO+SrO)/CaO é 0,4-1 e uma razão percentual em peso C3 = MgO/(MgO+SrO) é maior que 0,7.

2. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a razão percentual em peso Cl = LÍ2O/BÍ2O3 é de 2-12.

3. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a razão percentual em peso C2 = (MgO+SrO)/CaO é de 0,45-0,9 e a razão percentual em peso C3 = MgO/(MgO+SrO) é maior que 0,85.

4. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o intervalo de conteúdo de CaO em percentual em peso é maior do que 9,5% e menor do que 12%.

5. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o intervalo

6. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que compreende os seguintes componentes expressos em percentual em peso:

em que, a razão percentual em peso Cl = LÍ2O/BÍ2O3 é maior que 1, e a razão percentual em peso C2 = (MgO+SrO)/CaO é de 0,45-0,9, e a razão percentual em peso C3 MgO/(MgO+SrO) é maior que 0,85.

7. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1 ou 6, caracterizadapelo fato de que o intervalo de conteúdo de SrO em percentual em peso é de 0,021,5%.

8. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizadapelo fato de que compreende os seguintes componentes expressos em percentual em peso:

em que a razão percentual em peso Cl = LÍ2O / BÍ2O3 é de 2-12; e a razão percentual em peso C2 = (MgO + SrO) / CaO é de 0,45-0,9; e a razão percentual em peso C3 = MgO / (MgO + SrO) é maior que 0,85.

9. Fibra de vidro, caracterizada pelo fato de ser produzida a partir de qualquer uma das composições de fibra de vidro, como definidas nas reivindicações 1 a 8.

10. Material compósito, caracterizado pelo fato de incorporar a fibra de vidro, como definida na reivindicação 9.