BR112017022438B1

BR112017022438B1 - Composição de fibra de vidro de alto desempenho, fibra de vidro da mesma e material compósito

Info

Publication number: BR112017022438B1
Application number: BR112017022438-0A
Authority: BR
Inventors: Lin Zhang; Guorong Cao; Wenzhong Xing; Guijiang Gu; Xiucheng HONG
Original assignee: Jushi Group Co., Ltd
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2022-07-05
Also published as: BR112017022438A2; ES2828726T3; EP3287425A1; EP3287425B1; EP3287425A4; US10399889B2; CN106938891A; WO2016169408A1; DK3287425T3; CN105016622A; US20180118608A1

Abstract

COMPOSIÇÃO DE FIBRA DE VIDRO DE ALTO DESEMPENHO, FIBRA DE VIDRO DA MESMA E MATERIAL COMPÓSITO. A presente invenção refere-se a uma composição de fibra de vidro, fibra de vidro e material compósito dela. A composição de fibra de vidro compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: 58,5-62,5% de Si02, 14,5-17% de A1203, 10,5-14,5% de CaO, 8-10% de MgO, 0,5% < LiO 1%, 0,05-1% de Na:O, 0,05-1% de K:O, 0,05-1% de Fe203, 0,15-1,5% de Ti02, em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = Li20/A1203 é 0,105-0,22, e a faixa da razão da porcentagem molar 02 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55. A dita composição pode aumentar as propriedades mecânicas do vidro ao mesmo tempo em que reduz a viscosidade do vidro, risco de cristalização e quantidade de bolhas, dessa forma, tornando-a mais adequada para a produção em qrande escala com fornos revestidos com refratários.

Description

[001] 0 presente pedido reivindica a prioridade do pedido chinês 201510191134.0, depositado em 21 de abril de 2015 e intitulado "Uma Composição de fibra de vidro de alto desempenho, Fibra de vidro e Material Compósito dela", cujo teor é incorporado aqui por referência.

Campo da Invenção

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

Antecedentes da Invenção

[003] A fibra de vidro é um material de fibra inorgânica e pode ser usada para reforçar as resinas para produzir materiais compósitos com bom desempenho. Como um material-base de reforço para materiais compósitos avançados, fibras de vidro de alto desempenho foram originalmente usadas principalmente na indústria de defesa nacional, tal como indústria aeronáutica, aeroespacial e militar. Com o progresso da ciência e tecnologia e o desenvolvimento da economia, as fibras de vidro de alto desempenho têm sido usadas amplamente nos campos civil e industrial tais como motores, lâminas eólicas, vasos de pressão, tubos de petróleo offshore, aparelhos de esporte e indústria automobilística.

[004] Uma vez que a American company Owens Corning ("OC") desenvolveu fibra de vidro S-2, paises diferentes desenvolveram fibras de vidro de alto desempenho com várias composições por exemplo, fibra de vidro R desenvolvida French company Saint-Gobain, fibra de vidro HiPer-tex por American company OC e fibra de vidro #2 de alta resistência por Nanjing Fiberglass Research & Design Institute, China. As composições de vidro originais de alto desempenho foram baseadas em um sistema de MgO-Al∑Ch-SiO∑ e uma solução tipica foi vidro S-2 de American company OC. No entanto, a produção de vidro S-2 é excessivamente dificil, visto gue sua temperatura de formação é de até cerca de 1571 °C e sua temperatura liquidus de até 1470 °C e, portanto, é dificil realizar a produção industrial em grande escala. Eventualmente, a OC parou a produção de fibra de vidro S-2 e transferiu sua patente para American company AGY que tem produzido fibra de vidro S e seus produtos melhorados em uma pequena escala.

[005] Depois disso, a fim de diminuir a temperatura de fusão e a temperatura de formação de vidro para satisfazer melhor as necessidades de produção em grande escala com fornos revestidos com refratários, grandes companhias estrangeiras desenvolveram sucessivamente vidros de alto desempenho com base em um sistema de Mgθ-Caθ-A12θ3-Siθ2. As soluções tipicas foram vidro R de French company Saint- Gobain e vidro HiPer-tex de American company OC, os quais foram uma compensação para escala de produção ao sacrificar algumas das propriedades do vidro. No entanto, como estas soluções projetadas eram muito conservadoras, especialmente o teor de AI2O3 foi mantido maior do que 20%, preferivelmente 25%, a produção de vidro permaneceu altamente dificil. Embora a produção em pequena escala com fornos revestidos com refratários tenha sido alcançada, a eficiência da produção foi baixa e a razão custo/desempenho / xa<f- dos produtos não foi alta. Portanto, OC também parou a produção de fibra de vidro HiPer-tex e transferiu sua patente para a European company 3B. Por volta de 2007, a OC adquiriu o negócio de fibra de vidro de Stain-Gobain e formou a companhia OCV. Consequentemente, a tecnologia de base da fibra de vidro R foi transferida para a OCV. O vidro R tradicional é dificil de quebrar em fibras visto que a temperatura de formação é de até cerca de 1410 °C e sua temperatura liquidus de até 1330 °C, o que causa dificuldade na atenuação da fibra de vidro e, consequentemente, na realização da produção industrial em grande escala.

[006] Em adição, há um tipo melhorado de fibra de vidro R e sua resistência e módulo são muito maiores do que aqueles da fibra de vidro E tradicional e suas condições de fusão e formação são melhores do que aquelas da fibra de vidro R tradicional. No entanto, este tipo de vidro R tem um risco grande de desvitrificação. Enquanto isso, visto que muito LÍ2O é introduzido, não apenas a estabilidade quimica do vidro é diminuida, mas também seu custo de matéria-prima se torna significativamente maior. Portanto, também não é adequado para a produção industrial em grande escala.

[007] A fibra de vidro #2 de alta resistência compreende principalmente SÍO2, AI2O3 e MgO e certas quantidades de LÍ2O, B2O3, CeC>2 θ Fe2θ3 também são introduzidas. Ela também tem alta resistência e alto módulo e sua temperatura de formação é somente cerca de 1245°C e sua temperatura liquidus é 1320°C. Ambas as temperaturas são muito menores do que aquelas da fibra de vidro S. No entanto, visto que sua temperatura de formação é menor do que sua temperatura liquidus, que é desfavorável para o controle da atenuação da fibra de vidro, a temperatura de formação tem que ser aumentada e pontas com formato especial têm que ser usadas para impedir que um fenômeno de cristalização do vidro ocorra no processo de atenuação da fibra. Isto causa dificuldade no controle da temperatura e também torna dificil realizar a produção industrial em qrande escala.

[008] Devido à restrição nas condições da produção, isto é, a inadequação para a produção industrial em grande escala, as fibras de vidro de alto desempenho disponíveis no presente são muito onerosas tanto por seus altos custos de produção quanto pelos preços de venda, que levaram a uma produção muito pequena dessas fibras. Elas são utilizadas somente em campos de aplicação limitados tais como aeroespacial e militar, e não podem satisfazer as grandes demandas dos novos campos tais como lâminas eólicas de alta potência, tubulações de alta pressão e vasos de pressão.

Descrição Detalhada da Invenção

[009] A presente invenção pretende resolver o problema descrito acima. O propósito da presente invenção é prover uma composição de fibra de vidro de alto desempenho que pode, não somente aumentar significativamente as propriedades mecânicas do vidro sobre aquelas do vidro R tradicional, mas também reduzem amplamente a viscosidade do vidro e os riscos de cristalização pela obtenção de uma temperatura liquidus e temperatura de formação menor e uma quantidade reduzida de bolhas quando comparada com o vidro R tradicional, dessa forma tornando-a mais adequada para a produção em grande escala com fornos revestidos com refratários.

[0010] De acordo com um aspecto da presente invenção, uma composição de fibra de vidro é provida compreendendo os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: Sio2 58,5-62,5% A12O3 14,5-17% CaO 10,5-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,5%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe∑Os 0,05-1% TiO2 0,15-1,5%

[0011] Em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,105-0,22, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55;

[0012] Em que a dita composição de fibra de vidro compreende SrO em um teor de 0-2% expresso como porcentagem em peso;

[0013] Em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0,53;

[0014] Em que o teor de SrO expresso como porcentagem em peso é 0,2-1,5%;

[0015] Em que a faixa da razão da porcentagem em peso C3 = (MgO+SrO)/CaO é 0,58-0,9;

[0016] Em que a composição compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: A12O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,6%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2θ3 0,05-1% TiO2 0,15-1,5% SrO 0-2%

[0017] em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,125-0,21, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0, 44-0,53;

[0018] Em que a composição compreende os seguintes componentes expressos como po rcentagem em peso: SiO2 59-62% AI2O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,75%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2Ü3 0,05-1% TiO2 0,2-1,5% SrO 0-2%

[0019] em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,155-0,21, e z 1 faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0, , 44-0, 53;

[0020] Em que a composição compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: AI2O3 CaO MgO Li2O Na2O K2O Fθ2θ3 TÍO2 SrO

[0021] em que a faixa = LÍ2O/AI2O3 é 0,105-0,22, molar C2 = MgO/ (CaO+MgO) da porcentagem em peso C3

[0022] De acordo com fibra de vidro produzida com a dita composição de fibra de vidro é provida.

[0023] De acordo com mais um outro aspecto desta invenção, um material compósito que incorpora a dita fibra de vidro é provido.

[0024] Pela introdução de um teor relativamente alto de LÍ2O, configurando razoavelmente a razão da porcentagem em peso de CaO para MgO e as razões de porcentagem molar de MgO/(CaO+MgO) e LÍ2O/AI2O3, e utilizando os efeitos sinergisticos de LÍ2O e AI2O3, LÍ2O e MgO, assim como CaO e MgO, a composição de fibra de vidro da presente invenção não só podem aumentar significativamente as propriedades mecânicas do vidro sobre aquelas do vidro R tradicional, mas também reduzem amplamente a viscosidade do vidro e os riscos de cristalização pela obtenção de uma temperatura liquidus e temperatura de formação menor e uma quantidade reduzida de bolhas quando comparado com o vidro R i xBd tradicional, dessa forma, tornando-a mais adequada para a produção em grande escala com fornos revestidos com refratários. Em adição, os efeitos técnicos favoráveis mencionados acima são ainda reforçados pela composição de fibra de vidro da presente invenção com uma introdução seletiva de SrO em uma quantidade apropriada e uma utilização do efeito alcalino terroso misto ternário de CaO, MgO e SrO.

[0025] Especificamente, a composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SÍO2 58,5-62,5% A12O3 14,5-17% CaO 10,5-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,5%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2θ3 0,05-1% TiO2 0,15-1,5%

[0026] em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,105-0,22, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55.

[0027] O efeito e teor de cada componente na dita composição de fibra de vidro são descritos como a seguir:

[0028] SÍO2 é um óxido principal que forma a rede de vidro e tem o efeito de estabilização de todos os componentes. Na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de teor restrito de SÍO2 é 58,5-62,5%. Um teor muito baixo afetará as propriedades mecânicas do vidro; um teor muito alto fará com que a viscosidade do vidro seja excessivamente alta, dessa forma, resultando nos problemas de fusão e finura. Preferivelmente, a faixa de teor de SÍO2 pode ser de 59-62%.

[0029] AI2O3 é um óxido intermediário da rede de vidro e um formador de vidro condicional. Ele está presente em dois estados de coordenação, isto é, estado de quatro coordenadas (tetraédrico) e estado de seis coordenadas (octaédrico). Em um sistema de vidro com alto desempenho, há tipicamente um alto teor de AI2O3, e a proporção do octaedro [AlOβ] aumentará à medida que o teor de AI2O3 cresce, dessa forma causando um risco crescente de cristalização ou separação de fases do vidro. Os inventores verificam que, a partir de uma grande quantidade de experimentos e pesquisas em um sistema de vidro de alto desempenho, quando há suficiente oxigênio livre e muitos ions de metal com alta resistência do campo iônico, AI2O3 pode ter um melhor efeito fundente em estágio de fusão em alta temperatura e, em estágio de formação de fibra em menor temperatura, mais AI2O3 pode entrar na rede de vidro na forma do tetraedro [AIO4] ; ao mesmo tempo, devido ao efeito de acúmulo de ions de metal de alta intensidade de campo, AI2O3 pode reforçar a estrutura da rede mais eficazmente, assim, reduzindo os riscos de cristalização enquanto aumenta as propriedades mecânicas do vidro. As condições acima podem ser providas exatamente por um teor relativamente alto de LÍ2O. De acordo com as descobertas dos inventores, LÍ2O não só pode prover uma quantidade considerável de oxigênio livre, mas também tem uma alta pausing/ X £ F/s tetraedro com mais ions de aluminio, dessa forma, fortalecendo a estrutura da rede do vidro. Portanto, é altamente importante para determinar as quantidades apropriadas de AI2O3 e LÍ2O e a razão entre eles.

[0030] Portanto, na composição de vidro de acordo com a presente invenção, a faixa de teor restrito de AI2O3 é 14,5-17%, e a faixa de teor restrito de LÍ2O é maior do que 0,5%, mas não mais do que 1%, e a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0, 105-0,22. Preferivelmente, a faixa de teor de AI2O3 é 15-16,5%, e a faixa de teor de LÍ2O é maior do que 0,6%, mas não maior do que 1%, e a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,125-0,21. Mais preferivelmente, a faixa de teor de LÍ2O é maior do que 0,75%, mas não maior do que 1%, e a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,155-0,21.

[0031] CaO é um óxido modificador da rede de vidro que está presente somente no estado de seis coordenadas. Ele tem o efeito de regular a viscosidade do vidro e controlar a cristalização do vidro, e também pode melhorar a resistência do vidro, produzir uma taxa moderada de endurecimento de vidro fundido, e acelerar a taxa de decomposição em fibras do vidro. MgO também é um óxido modificador da rede de vidro presente em ambos o estado de quatro coordenadas (tetraédrico) e principalmente o estado de seis coordenadas (octaédrico) . Ele também tem o efeito de regular a viscosidade do vidro e controlar a cristalização do vidro, ajudar a aumentar o módulo do vidro e, quando CaO é parcialmente substituído por MgO, pode produzir uma taxa moderada de endurecimento do vidro fundido.

[0032] Para um vidro com alto desempenho baseado em um sistema de Mgθ-Caθ-A12θ3-Siθ2, as fases cristalinas que ele contém após a cristalização do vidro incluem principalmente diópsido (CaMgSi∑Oe) e anortita (CaA12SÍ2O3) . A razão molar de Ca2+/Mg2+ na fórmula molecular de diópsido é 1. As quantidades suficientes de ambos Ca2+ e Mg2+ são necessárias para que os cristais de diópsido se desenvolvam completa e rapidamente. Similarmente, os cristais de anortita precisam de um ambiente rico em Ca2+ para serem capazes de desenvolver rapidamente. Na presente invenção, a razão da porcentagem em peso C2 = MgO/(CaO+MgO) é introduzida para medir e controlar a razão molar de Ca2+/Mg2+ a fim de inibir o crescimento destas duas fases cristalinas simultaneamente. Os inventores descobriram que, em um sistema de vidro de alto desempenho tradicional, a quantidade dos ions de Ca2+ é com frequência relativamente alta, consequentemente, uma razão molar relativamente baixa de MgO/(CaO+MgO) que é frequentemente menor do que 0,43 e ainda menor do que 0,41. Em tal caso, visto que a quantidade de ions de Ca2+ é suficiente para o crescimento completo e rápido das fases cristalinas, o crescimento das duas fases cristalinas não pode ser inibido simultaneamente, embora haja uma mudança na razão das duas fases cristalinas nos produtos de cristalização final.

[0033] Com pesquisa adicional, os inventores descobriram inesperadamente que, na composição de fibra de vidro da presente invenção, quando a faixa da razão molar de C2 = MgO/(CaO+MgO) é controlada para ser de 0,435-0,55, são significativamente diminuídos. A diminuição significativa do grau de cristalização de fases cristalinas é manifestada por uma diminuição perceptível na intensidade dos picos de difração de raios X. Ao mesmo tempo, as imagens do SEM mostram que os grãos cristalinos de diópsido mudam de uma forma colunar ou em forma de bastão para uma forma longa e fina tipo agulha e os grãos cristalinos se tornam menores e sua integralidade declina. Os inventores acreditam que isto é principalmente porque, com o aumento da razão molar de MgO/(CaO+MgO) e uma quantidade crescente de íons de Mg2+, haverá uma escassez de ions de Ca2+ para a cristalização completa e rápida, e os processos de cristalização de ambos diópsido e anortita serão então significativamente afetados, dessa forma, alcançando o efeito de inibir simultaneamente a tendência à cristalização das duas fases cristalinas. Ao mesmo tempo, com o aumento da razão molar de MgO/(CaO+MgO), uma vez que o peso molecular de MgO é menor do que aquele de CaO, quando MgO é usado para substituir CaO da mesma massa, o oxigênio provido por MgO é muito maior do que aquele por CaO, o que ajuda mais ions de alumínio a formar a coordenação tetraédrica, dessa forma, fortalecendo a rede do sistema de vidro e ainda reduzindo a tendência à cristalização. No entanto, a razão molar de MgO/(CaO+MgO) não deve ser tão alta, senão haverá um grande excedente de íons de magnésio, o que aumentará em certo grau a tendência à cristalização de uma nova fase cristalina - forsterita (Mg2Si2O6) .

[0034] Portanto, na composição de fibra de vidro da '-y— v* presente invenção, a faixa de teor restrito de CaO é 10,5- % , 14,5%, e a faixa de teor restrito de MgO é 8-10%, e a faixa da razão molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55. Preferivelmente, a faixa de teor de CaO é 11,8-14,5%, e a razão molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0,53.

[0035] Ambos K2O e Na2O podem reduzir a viscosidade do vidro e são bons agentes fundentes. A substituição de Na2O por K2O embora mantendo inalterada a quantidade total de óxidos de metal alcalino pode reduzir a tendência à cristalização do vidro, melhorar o desempenho da decomposição em fibras e também reduzir a tensão superficial de vidro fundido e melhorar o desempenho da fusão de vidro. Portanto, na composição do vidro da presente invenção, as faixas de teor restrito de Na2O e de K2O são 0,05-1%, respectivamente, de modo a alcançar um bom resultado.

[0036] A introdução de Pe2O3 facilita a fusão do vidro e também pode melhorar o desempenho da cristalização do vidro. No entanto, visto que ions férricos e ions ferrosos têm um efeito de coloração, a quantidade introduzida deve ser limitada. Portanto, na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de teor restrito de Pe2θ3 é 0,05-1% .

[0037] TÍO2 não só pode reduzir a viscosidade do vidro em alta temperatura, mas também tem um certo efeito fundente. Portanto, na composição de fibra de vidro da presente invenção, a faixa de teor restrito de TÍO2 é 0,15- 1,5% .

[0038] Em adição, uma quantidade apropriada de SrO é introduzida na composição de fibra de vidro desta invenção para fortalecer adicionalmente os efeitos técnicos benéficos mencionados acima com o efeito alcalino terroso misto ternário de CaO, MgO e SrO. Os inventores concluiram, a partir de uma grande quantidade de pesquisas, que quando suas razões são racionais, o efeito técnico do efeito alcalino terroso misto ternário de CaO, MgO e SrO é visivelmente melhor do que aquele do efeito alcalino terroso misto binário de CaO e MgO. Isto é porque, à medida que mais ions de metal alcalino terroso com diferentes raios participam do processo de substituição, uma estrutura de empilhamento compacta se forma mais facilmente e, dessa forma, o vidro tem melhor cristalização e propriedades mecânicas. Ao mesmo tempo, considerando a correspondência entre ions de diferentes tamanhos, é apropriado controlar a razão da soma de SrO e MgO para CaO. Visto que os raios iônicos de Mg2+, Ca2+ e Sr2+ sequencialmente se tornam maiores e suas resistências de campo iônico sequencialmente se tornam menores, a fim de alcançar uma estrutura de empilhamento compacta, a correspondência entre os números de três tipos de ions se torna muito importante. 0 que é particularmente notável é que uma quantidade apropriada de SrO é introduzida na composição de fibra de vidro da presente invenção e, por meio de uma razão racionalmente ajustada de (MgO+SrO)/CaO, a tendência e o grau da cristalização do vidro podem ser eficazmente controlados.

[0039] Em principio, a cristalização é um processo de formação e crescimento continuo de núcleos cristalinos, isto é, um processo de movimento e reestruturação de vários átomos no vidro. O sistema alcalino terroso ternário projetado na presente invenção torna mais fácil alcançar uma estrutura de empilhamento compacta do vidro. Ao mesmo / x3<^ tempo, uma vez que o raio iônico de Sr2+ é maior, não apenas é dificil para os ions Sr2+ por si sós se moverem, mas também eles podem impedir eficazmente o movimento e reestruturação dos ions Mg2+ e Ca2+ sob as mesmas condições, dessa forma, alcançando o objetivo de inibir a tendência à 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.

[0040] A presente invenção considera de forma abrangente o efeito alcalino terroso misto ternário de CaO, MgO e SrO e seleciona um teor apropriado de SrO para ser capaz de alcançar uma menor temperatura 1iquidus, menor grau de cristalização e maiores propriedades mecânicas. No entanto, visto que o peso molecular de óxido de estrôncio é relativamente alto, uma adição excessiva de óxido de estrôncio 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. Portanto, na presente invenção, a faixa de teor restrito de SrO é 0-2%. Preferivelmente, a faixa de teor de SrO é 0,2-1,5%, e a faixa da razão da porcentagem em peso 03 = (MgO+SrO)/CaO é 0,58-0,9.

[0041] Em adição, a composição de fibra de vidro da presente invenção permite a existência de uma pequena quantidade de flúor (F2) . No entanto, considerando o grande impacto negativo do flúor sobre o ambiente, normalmente ele não é adicionado intencionalmente.

[0042] Na composição de fibra de vidro da presente invenção, os efeitos benéficos produzidos pelas faixas selecionadas mencionadas acima dos componentes serão explicados através dos dados experimentais específicos dados nos exemplos providos abaixo.

[0043] O que vem a seguir são os exemplos de teores de faixa preferidos dos componentes contidos na composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção.

Exemplo Preferido 1

[0044] A composi ção de fibra de vidro de acordo com a presente invenção compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SiO2 59-62% AI2O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,6%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe∑Os 0,05-1% TiO2 0,15-1,5% SrO 0-2%

[0045] em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,125-0,21, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0,53.

Exemplo Preferido 2

[0046] A composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SÍO2 59-62% AI2O3 15-16,5% \odus(r/a/ ~ , Ufa 17/25 CL . P • "íj ~ ‘ - CaO % 11,8-14,5% ' ' ' MgO 8-10% Li2O >0,75%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2θ3 0,05-1% TiO2 0,2-1,5% SrO 0-2%

[0047] em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,155-0,21, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0,53.

Exemplo Preferido 3

[0048] A composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção compreende os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SiO2 59-62% AI2O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,5%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2θ3 0,05-1% TÍO2 0,15-1,5% SrO 0,2-1,5%

[0049] em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = LÍ2O/AI2O3 é 0,105-0,22, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55, e a faixa da razão da porcentagem em peso C3 = (MgO+SrO)/CaO é 0,58-0,9. Modalidades da Invenção

[0050] A fim de esclarecer melhor os propósitos, 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 descritos aqui são apenas parte dos exemplos da presente invenção e não são todos os exemplos. Todas as outras modalidades exemplares obtidas por alguém versado na técnica com base nos exemplos na presente invenção sem realizar trabalho criativo devem se encontrar todas no escopo de proteção da presente invenção. O que precisa ser esclarecido é que, desde que não haja nenhum conflito, os exemplos e as características dos exemplos no presente pedido podem ser combinados arbitrariamente uns com os outros.

[0051] O conceito básico da presente invenção é que os componentes da composição de fibra de vidro, expressos como porcentagem em peso, são: 58,5-62,5% de SiO2, 14,5-17% de AI2O3, 10,5-14,5% de CaO, 8-10% de MgO, 0,5%<Li2O<l%, 0,05- 1% de Na20, 0,05-1% de K2O, 0,05-1% de Fe2O3, 0,15-1,5% de TiO2 e 0-2% SrO; em que a faixa da razão da porcentagem molar Cl = Li2O/Al2O3 é 0,105-0, 22, e a faixa da razão da porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55. A composição de fibra de vidro de acordo com as faixas anteriores da presente invenção não só pode aumentar significativamente as propriedades mecânicas do vidro sobre aquelas do vidro R tradicional, mas também reduzir amplamente a viscosidade do vidro e os riscos de cristalização pela obtenção de uma temperatura liquidus e temperatura de formação menor e uma quantidade reduzida de bolhas quando comparado com o vidro R tradicional, dessa forma, tornando-a mais adequada para a produção em grande escala com fornos revestidos com refratários.

[0052] Os valores de teor especifico de SÍO2, AI2O3, CaO, MgO, LÍ2O, Na2Ü, K2O, Fθ2θ3, TÍO2 e SrO na composição de fibra de vidro da presente invenção são selecionados para serem usados nos exemplos, os quais são comparados com as propriedades de vidros E e R tradicionais em termos dos seguintes seis parâmetros de propriedade: (1) Temperatura de formação, a temperatura na qual o vidro fundido tem uma viscosidade de 103 poise. (2) Temperatura liquidus, a temperatura na qual os núcleos cristalinos começam a se formar quando o vidro fundido se resfria, isto é, a temperatura limite superior para a cristalização do vidro. (3) Valor de ΔT, que é a diferença entre a temperatura de formação e a temperatura liquidus e indica a faixa de temperatura na qual a remoção da fibra pode ser realizada. (4) Resistência à tração, a tensão de tração máxima que a fibra de vidro pode suportar sem ruptura, que deve ser medida de acordo com ASTM2343. (5) Módulo de Young, o módulo elástico longitudinal que define a capacidade do vidro de resistir à deformação elástica, que deve ser medida de acordo com ASTM2343. (6) Quantidade de bolhas, a ser determinada aproximadamente em um procedimento definido como a seguir: moldes de uso especifico para comprimir os materiais em lote em cada exemplo em amostras da mesma dimensão, que serão então colocadas na plataforma da amostra de um microscópio de alta temperatura as amostras de vidro de acordo com procedimentos padrão de até a temperatura espacial pré-ajustada de 1500°C e a seguir resfriá-las diretamente com o foco frio do microscópio até a temperatura ambiente sem preservação do calor. Finalmente, examinar cada uma das amostras de vidro sob um microscópio de polarização para determinar a quantidade de bolhas em cada amostra. Uma bolha é identificada de acordo com uma amplificação especifica do microscópio.

[0053] Os seis parâmetros mencionados acima e os métodos de medição dos mesmos são bem-conhecidos por alguém versado na técnica. Portanto, os parâmetros mencionados acima podem ser usados eficazmente para explicar as propriedades da composição de fibra de vidro da presente invenção.

[0054] Os procedimentos específicos para os experimentos são como a seguir: cada componente pode ser adquirido a partir das matérias-primas apropriadas; as matérias-primas são misturadas nas proporções apropriadas de modo que cada componente alcança a porcentagem em peso final esperada; o lote misto é fundido e clarificado; a seguir o vidro fundido é removido através das pontas das buchas, dessa forma, formando a fibra de vidro; a fibra de vidro é atenuada sobre a pinça rotativa de um enrolador para formar tortas e pacotes. Certamente, métodos convencionais podem ser usados para processar profundamente estas fibras de vidro para atender os requisitos esperados.

[0055] Comparações dos parâmetros de propriedade dos exemplos mencionados acima e outros exemplos duma composição de fibra de vidro da presente invenção com aqueles do vidro E tradicional, vidro R tradicional e vidro R melhorado são ainda feitos abaixo por meio da tabela, em que os teores do componente duma composição de fibra de vidro são expressos como porcentagem em peso. 0 que precisa ficar claro é que a quantidade total dos componentes nos exemplos é levemente menor do que 100%, e deve ser compreendido que a quantidade restante são as impurezas traço ou uma pequena quantidade de componentes que não podem ser analisados. Tabela 1

[0056] Pode ser visto a partir dos valores na tabela acima que, comparada com o vidro R tradicional e o vidro R melhorado, uma composição de fibra de vidro da presente invenção tem as seguintes vantagens: (1) temperatura liquidus muito menor, o que ajuda a reduzir o risco de cristalização e aumentar a eficiência na remoção duma fibra; (2) propriedades mecânicas significativamente melhoradas; (3) quantidade de bolhas muito menor, o que indica uma melhoria significativa na qualidade do vidro fundido de acordo com a presente invenção. Especificamente, comparada com o vidro R, uma composição de fibra de vidro da presente invenção fez um avanço em termos de controle do risco de cristalização e melhoria das propriedades mecânicas com quantidade de bolhas significativamente reduzida sob as mesmas condições. Portanto, comparada com o vidro R tradicional e vidro R melhorado, a solução técnica geral da presente invenção permite uma obtenção mais fácil de produção industrial em grande escala.

[0057] Ao introduzir um teor relativamente alto de LÍ2O, configurar razoavelmente a razão da porcentagem em peso de CaO para MgO e as razões da porcentagem molar de MgO/(CaO+MgO) e LÍ2O/AI2O3 e utilizar os efeitos sinergisticos de Li2O e AI2O3, Li2O e MgO, assim como CaO e MgO, uma composição de fibra de vidro da presente invenção não pode somente aumentar significativamente as propriedades mecânicas do vidro sobre aqueles do vidro R tradicional, mas também reduzir amplamente a viscosidade do vidro e os riscos de cristalização pela obtenção de uma temperatura liquidus e temperatura de formação menores e uma quantidade reduzida de bolhas quando comparada com o vidro R tradicional, dessa forma, tornando-a mais adequada para a produção em grande escala com os fornos revestidos com refratários.

[0058] Uma composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção pode ser usada para a fabricação de fibras de vidro tendo as excelentes propriedades mencionadas acima.

[0059] Uma 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 a preparação de materiais compósitos tendo excelentes desempenhos, tais como materiais-base reforçados com fibra de vidro.

[0060] Finalmente, o que deve ficar claro é que, neste texto, os termos "contêm", "compreendem" ou quaisquer outras variantes são destinados a significar "incluem não exclusivamente" de modo que qualquer processo, método, artigo ou equipamento que contém uma série de fatores deve incluir não apenas tais fatores, mas também incluir outros fatores que não sejam explicitamente listados ou também incluir fatores intrínsecos de tal processo, método, objeto ou equipamento. Sem mais limitações, os fatores definidos pela expressão "contêm um..." não excluem que existam outros mesmos fatores no processo, método, artigo ou equipamento que incluem os ditos fatores.

[0061] Os exemplos acima são providos somente para o propósito de ilustração em vez de limitação das soluções técnicas da presente invenção. Embora a presente invenção seja descrita em detalhes por meio dos exemplos mencionados acima, alguém versado na técnica deve entender que modificações também podem ser feitas nas soluções técnicas incorporadas por todos os exemplos mencionados acima ou substituição equivalente pode ser feita a algumas das características técnicas. No entanto, tais modificações ou substituições não causarão as soluções técnicas resultantes de se afastar substancialmente dos espíritos e faixas das soluções técnicas, respectivamente, incorporadas por todos os exemplos da presente invenção.

Aplicabilidade Industrial da Invenção

[0062] Uma composição de fibra de vidro de acordo com a presente invenção pode não somente aumentar significativamente as propriedades mecânicas do vidro sobre aquelas do vidro R tradicional, mas também reduz amplamente a viscosidade do vidro e os riscos de cristalização pela obtenção de uma temperatura liquidus e temperatura de formação menor e uma quantidade reduzida de bolhas quando comparada com o vidro R tradicional, dessa forma tornando-a mais adequada para a produção em grande escala com fornos revestidos com refratários. Comparado com os vidros de alto desempenho com corrente principal, uma composição de fibra de vidro da presente invenção fez um avanço em termos de resistência à tração, desempenho da cristalização e módulo de Young com propriedades mecânicas significativamente melhoradas e quantidade reduzida de bolhas sob as mesmas condições. Portanto, a solução técnica geral da presente invenção permite uma obtenção mais fácil da produção industrial em grande escala de fibra de vidro de alto desempenho.

Claims

1. Composição de fibra de vidro, CARACTERIZADA pelo fato de compreender os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SiO2 58,5-62,5% Al2O3 14,5-17% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,5%, e < Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2O3 0,05-1% TiO2 0,15-1,5% SrO 0,2-1,5% em que a faixa da razão de porcentagem molar C1 = Li2O/Al2O3 é 0,105-0,22, e a faixa da razão de porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55, e a faixa da razão de porcentagem em peso C3 = (MgO+SrO)/CaO é 0,58-0,9.

2. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a faixa da razão de porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0,53.

3. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de compreender os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SiO2 59-62% Al2O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,6%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2O3 0,05-1% TiO2 0,15-1,5% SrO 0,2-1,5% em que a faixa da razão de porcentagem molar C1 = Li2O/Al2O3 é 0,125-0,21, e a faixa da razão de porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0, 53.

4. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de compreender os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: Al2O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,75%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2O3 0,05-1% TiO2 0,2-1,5% SrO 0,2-1,5% SiO2 59-62% Li2O/Al2O3 é 0,155-0,21, e a faixa da razão de porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,44-0,53.

5. Composição de fibra de vidro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de compreender os seguintes componentes expressos como porcentagem em peso: SiO2 59-62% Al2O3 15-16,5% CaO 11,8-14,5% MgO 8-10% Li2O >0,5%, e <1% Na2O 0,05-1% K2O 0,05-1% Fe2O3 0,05-1% TiO2 0,15-1,5% SrO 0,2-1,5% em que a faixa da razão de porcentagem molar C1 = Li2O/Al2O3 é 0,105-0,22, e a faixa da razão de porcentagem molar C2 = MgO/(CaO+MgO) é 0,435-0,55, e a faixa da razão de porcentagem em peso C3 = (MgO+SrO)/CaO é 0,58-0,9.

6. Fibra de vidro, CARACTERI ZADA pelo fato de ser produzida a partir de qualquer uma das composições de fibra de vidro como definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

7. Material compósito, CARACTERIZADO pelo fato de incorporar a fibra de vidro como definida na reivindicação 6.