CN112521006A - 用于制造纤维的玻璃组合物及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了改进的玻璃配料组合物以及纤维化该组合物以形成纤维的方法。本组合物的配料可以包括：40‑60wt％SiO2；15‑50wt％Al2O3；0‑30wt％MgO；0‑25wt％CaO；0‑5wt％Li2O；0‑9wt％B2O3以及0‑5wt％Na2O。由该组合物形成的纤维可具有大于82.7GPa(12MPSI)的杨氏模量。该纤维还可具有至少100ng/cm2/小时的良好生物可溶性(kdis)。

Description

用于制造纤维的玻璃组合物及方法
相关申请
本申请为申请日为2013年10月18日、申请号为201380060017.X、名称为“用于制造纤维的玻璃组合物及方法”的中国发明专利申请的分案申请。
本申请要求2012年10月18日提交的名称为GLASS COMPOSTION FOR THEMANUFACTURING OF FIBERS AND PROCESS的美国临申请序号61715494的优先权，通过引用将其以其全文并入本文。
背景技术
由以特定比例结合用以产生所需的化学组成的各种原料制造用于复合材料应用的玻璃纤维。通常将这种比例称为“玻璃配料”。该玻璃配料以及由其制造的玻璃的组成通常以组分的百分数形式表达，所述组分以氧化物形式表达。SiO2、A12O3、CaO、MgO、B2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、以及少量的其它氧化物是玻璃配料的常用组分。可以通过改变玻璃配料中这些氧化物的量或省略这些氧化物中的一些来生产多种类型的玻璃。可以生产的这样的玻璃的实例包括E-玻璃、S-玻璃、R-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、以及ECR-玻璃。该玻璃组成确定玻璃的性质，包括性质例如玻璃的粘度、液相线温度、耐久性、密度、强度、以及杨氏模量。对于商业玻璃组合物的非物理考虑包括原料成本和由制造玻璃引起的环境影响。
E-玻璃组合物为用于制作在纺织品和增强应用中使用的连续玻璃纤维束的最常用的玻璃组合物。E-玻璃的一个优点是其液相线温度低于其形成温度约200℉，通常将其形成温度定义为在玻璃粘度等于1000泊时的温度。E-玻璃具有宽范围的形成温度和低的脱玻化速率。历史上，商业E-玻璃组合物具有在2150℉和2350℉之间的形成温度以及低于该形成温度从约100℉至250℉的液相线值。
用于制作连续玻璃纤维束的最常用的高强度玻璃组合物是“S-玻璃”。S-玻璃为主要由镁、铝和硅的氧化物组成的玻璃族，其具有的化学组成产生的玻璃纤维具有比E-玻璃纤维更高的机械强度。S-玻璃通常具有最初将其设计为在高强度应用(例如防弹装甲)中使用的组成。S-玻璃的一些实例包括Owens Corning的
Figure BDA0002762417420000021
以及
Figure BDA0002762417420000022
具有约88GPa的杨氏模量。另一个实例是AGY的S-2
Figure BDA0002762417420000023
其是一种S-玻璃，可具有约89.6GPa(13MPSI)的杨氏模量。
由于它们的高形成温度以及由于其它的工艺限制，许多具有高机械强度的玻璃的生产可为非常昂贵的。另外，许多具有高机械强度的玻璃可能不可溶解于生物流体中。在生物流体中缺乏可溶性可限制了形成对于用户是可接受的产品。因此，本领域保持着对改进的玻璃组合物以及制作这样的玻璃的方法的需求，该玻璃提供高机械强度，具有在生物流体中为可溶的优点。
发明内容
在本发明的一些实施方案中，提供了可以形成用于复合材料的纤维的高模量玻璃组合物。在一些实施方案中，本发明的组合物基于共晶组成：48wt％SiO2、35wt％A12O3和17wt％MgO。在其它实施方案中，本组合物包括：约40-60wt％SiO2；15-50wt％A12O3；0-30wt％MgO；0-25wt％CaO；0-5wt％Li2O；0-9wt％B2O3和0-5wt％Na2O。在一些示例性的实施方案中，由该组合物形成的纤维具有大于约82.7GPa(12MPSI)、或约89.6GPa(13MPSI)、或约96.5GPa(14MPSI)的杨氏模量。在其它示例性的实施方案中，由该组合物形成的纤维具有大于103.4GPa(15MPSI)的杨氏模量。
在又一些示例性的实施方案中，由该组合物形成的纤维还是生物可溶的。生物可溶性是材料溶解在生物流体中的速度的量度。例如，该纤维可以具有大于约100ng/cm2/小时的纤维生物可溶性。在其它实例中，控制该组合物的化学组成以提供大于约200ng/cm2/小时或甚至大于约300ng/cm2/小时的纤维生物可溶性是可能的。
仍然在本发明的其它实施方案中，提供了形成具有高模量的纤维的方法。该方法可以包括例如使用传统的矿物棉方法由本发明的组合物形成纤维。该方法还可以包括使用传统的玻璃纤维形成方法。
具体实施方式
现在将不时参考本发明的特定实施方案描述本发明。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该解释为受限于在此列出的实施方案。当然，提供这些实施方案以便本公开内容将是详尽和完整的，并且将向所属领域的技术人员完整表达出本发明的范围。
在此所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属的领域的普通技术人员通常理解的相同含义，除非另外定义。在本发明的说明书中使用的术语在此仅仅用于描述特别的实施方案，并不旨在限制本发明。如在本发明的说明书和所附的权利要求书中使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”还打算包括复数形式，除非上下文以其它方式明确指出。
在说明书和权利要求书中使用的表示成分的数量、性质(例如分子量)、反应条件等等的所有数值应理解为通过术语“约”在一切情况下进行修正，除非另有说明。因此，在说明书和权利要求书中列出的数值性质是近似值，其可以根据寻求在本发明的实施方案中获得的的所需性质而变化，除非另有说明。尽管列出本发明的宽范围的数值范围和参数是近似值，列在特定实施例中的数值报道为尽可能精确的。然而，任何数值固有地包含某些误差，所述误差必然由在其各自的测量中发现的误差引起。
根据本发明的示例性实施方案，提供了对于形成纤维有用的玻璃配料组合物。另外，还提供了由该玻璃配料组合物形成的纤维。使用本发明的组合物形成的纤维可以具有显著高于S-玻璃纤维例如
Figure BDA0002762417420000051
和
Figure BDA0002762417420000052
以及S-2
Figure BDA0002762417420000053
的模量。使用本发明的组合物形成的纤维还可以具有高强度。
另外，如将在此进一步讨论的，可以使用本发明的玻璃配料组合物生产具有高模量的纤维，而不使用传统的可采用铂/铑合金的熔炉。在其它实施方案中，如将在此进一步讨论的，可以在传统的熔炉中形成本发明的玻璃配料组合物。
根据本发明的示例性的实施方案，本发明的组合物可以基于共晶组成：48wt％SiO2、35wt％Al2O3和17wt％MgO。例如，在一些示例性的实施方案中，本发明的玻璃配料组合物包括约40-60wt％SiO2；15-50wt％Al2O3；0-30wt％MgO；0-25wt％CaO；0-5wt％Li2O；0-9wt％B2O3以及0-5wt％Na2O。在其它示例性的实施方案中，该玻璃组合物包括约45-55wt％SiO2；20-45wt％Al2O3；5-25wt％MgO；3-25wt％CaO；0-5wt％Li2O；0-5wt％B2O3以及0-5wt％Na2O。在另外的示例性的实施方案中，该玻璃组合物包括约45-55wt％SiO2；20-35wt％Al2O3；10-20wt％MgO；5-25wt％CaO；0-5wt％Li2O；0-5wt％B2O3；以及0-5wt％Na2O。
可以添加其它成分以改进所得的纤维的性质和/或改进该玻璃的加工或生物可溶性。例如，该组合物可以包括约5.0重量％或更少的额外化合物，例如氧化物。可以包括在该组合物中的示例性的氧化物包括作为有意的添加剂或杂质的K2O、P2O5、ZnO、ZrO2、SrO、BaO、SO3、F2、Ce2O3、BeO、SeO2、Y2O3、La2O3、TiO2和Fe2O3及其组合，每种以至多5.0重量％存在。
另外，例如可以向该配料组合物添加组分以便于加工，随后将所述组分除去，由此形成了基本上不含这样的组分的玻璃组合物。因此，例如极少量的组分例如“流动(tramp)”氧化物，可以以痕量杂质存在于在本发明的商业实践中提供氧化硅、氧化钙、氧化铝和氧化镁组分的原料中，或者其可以是在制造过程中基本上被除去的加工助剂。在一些示例性的实施方案中，这样的流动氧化物以小于约5.0重量％或小于约1.0重量％存在。
在一些实施方案中，由在此描述的组合物形成的纤维具有大于约82.7GPa(12MPSI)的杨氏模量。在其它实施方案中，由在此描述的组合物形成的纤维可以具有大于约89.6GPa(13MPSI)的杨氏模量。仍然在其它实例中，由该组合物形成的纤维可以具有大于约96.5GPa(14MPSI)、以及甚至大于103.4GPa(15.0MPSI)的杨氏模量。
在某些示例性的实施方案中，如通过生物可溶性指标(kdis)所测量的，由该配料组合物形成的玻璃纤维可以是生物可溶的。可以使用用于高氧化铝纤维的公开模型评估该生物可溶性。在http://fiberscience.owenscorning.com/kdisapp.html上以在线计算器的形式公开了这个模型。例如，该纤维可具有大于约100ng/cm2/小时的纤维生物可溶性。在一些示例性的实施方案中，该纤维具有大于约200ng/cm2/小时或甚至大于约300ng/cm2/小时的纤维生物可溶性。在另外的示例性的实施方案中，该纤维具有大于约1000ng/cm2/小时、大于约2000ng/cm2/小时、或甚至大于约10000ng/cm2/小时的纤维生物可溶性。该组合物的生物可溶性允许使用矿物棉方法的旋转轮或者使用不是传统的用于形成高模量纤维的其它方法安全地纤维化该玻璃。另外，该纤维的生物可溶性允许使用传统的增强纤维形成方法生产具有小直径的纤维。
在一些示例性的实施方案中，由在此公开的发明配料组合物形成的玻璃纤维具有从约2.4g/cc至约3.0g/cc的密度。在其它示例性的实施方案中，由发明配料组合物形成的玻璃纤维具有从约2.57g/cc至约2.97g/cc的密度。
通常，通过使熔融玻璃材料穿过套管来形成连续玻璃纤维。当该玻璃通过非常细的孔口离开该套管时，例如通过喷水将该玻璃冷却，并且机械地拉到高速缠绕机上。随着将该纤维卷绕，张力导致了熔融的玻璃流被拉制成称为丝的薄纤维状元件。然而，在一些示例性的实施方案中，发明玻璃纤维是不连续的，并且可以使用任何已知的纤维形成方法形成，例如矿物棉方法、蒸汽喷射方法、旋转法、火焰拉细(flame attenuation)等等。
在一些示例性的实施方案中，该矿物棉方法包括任何合适的熔炉例如圆顶炉或槽炉(未示出)，可以将该配料组分引入其中并且熔化以形成熔融材料。来自该炉的熔融玻璃流入包括小孔的柱形容器中。随着该柱形容器旋转，玻璃的水平流开始流出孔。可以通过向下的空气、热气体或者两者的气流拉细该熔融玻璃流。在一些示例性的实施方案中，该纤维逆着一个或多个纤维化辊下落。第一个纤维化辊运转以分散熔融材料，形成纤维，然后可以将该纤维推进至任选的第二纤维化辊。在一些示例性的实施方案中，该第二纤维化辊以与第一个辊相反的方向旋转，并且进一步分散该材料以形成精加工的纤维。在一些示例性的实施方案中，在第一和第二辊之间可以再次使用高压空气射流以进一步拉细该纤维。
在一些示例性的实施方案中，当纤维离开辊时它们可以具有所施加的施胶组合物(sizing composition)，或者可以收集纤维并且在后制造过程中施加施胶组合物。将理解可以使用任何合适的施胶组合物来对该纤维施胶，并且可以将该施胶组合物选择为与使用纤维制得的复合材料制品的特定树脂系统相容。所属领域的技术人员将理解，可以使用任何合适的不连续纤维的形成方法形成该纤维。当采用不连续方法形成纤维时，由该不连续方法生产的纤维可具有允许该纤维为能被吸入的尺寸。特别地，在空气拉细的过程中，该不连续纤维可冒着被释放到空气中的风险，变成能被吸入的纤维。本发明的一个优点是由该不连续方法生产的任何能被吸入的纤维显示出kdis大于100ng/cm2/小时的生物可溶性，使得该纤维在生物流体中是可溶的。
将理解其它纤维化方法对于由该玻璃配料组合物形成纤维可为有用的。例如，可以使用用于生产连续纤维的传统玻璃形成方法形成一些实施方案的玻璃组合物。例如，可以使用传统的直接熔化方法，并且可以通过任何合适的套管(例如铂或铂/铑套管)形成该纤维，并且将其缠绕在缠绕机上。在其它实施方案中，可以使用传统的分批方法形成该纤维。例如，可以使用铂衬里的熔炉形成并且使用任何合适的套管生产该纤维。当使用套管形成纤维时，可以控制纤维直径以生产具有所需的直径的连续纤维。本发明的一个优点是可以形成具有非常小的直径同时呈现出生物可溶性、强度和模量的连续纤维。
可以将本发明的纤维用作使用任何合适的树脂形成的复合材料制品中的增强体，以形成在形成复合材料制品中有用的织物，或用于任何其它目的。
实施例
通过参考下述实施例将更好地理解本发明，以说明而非限制的方式提供这些实施例。具有列在表I-A-I-I中的组成的纤维以重量百分比计包括列出的成分。(请注意*表示预计值)。
表I-A
Figure BDA0002762417420000091
表I-B
Figure BDA0002762417420000101
表I-C
Figure BDA0002762417420000111
表I-D
Figure BDA0002762417420000121
表I-E
Figure BDA0002762417420000122
Figure BDA0002762417420000131
表I-F
Figure BDA0002762417420000132
Figure BDA0002762417420000141
表I-G
Figure BDA0002762417420000142
表I-H
Figure BDA0002762417420000143
Figure BDA0002762417420000151
表I-I
Figure BDA0002762417420000152
Figure BDA0002762417420000161
使用单孔套管在实验室级的熔炉中形成了上述实施例的纤维。使用良好论证过的声波技术测量杨氏模量，其中在单根纤维中测量音速。通过从单孔套管拉原始纤维(pristine fiber)并且在两英寸计量长度上测量破坏应力来测量原始纤维强度。使用用于高氧化铝纤维的公开模型评估生物可溶性。在http://fiberscience.owenscorning.com/ kdisapp.html上以在线计算器的形式公开了这个模型。
应该理解，在组合物中指定少量的组分(例如约2.0重量百分比或更小的量级的数量)时，这些组分可以以存在于原料中的痕量杂质的形式存在，而不是有意添加的。
不应该认为将本发明限制于在此描述的特定实施例，而是应该将其理解为覆盖本发明的所有方面。对于所属领域的技术人员来说，本发明可以适用的各种改变、等效的方法、以及许多结构和装置将是容易清楚的。所属领域的技术人员将会理解可以进行各种改变而不会背离本发明的范围，不应认为将该范围限制于说明书中所描述的。

Claims (17)

1.一种用于形成玻璃纤维的组合物，包含：
45-55wt％SiO2；
20-45wt％Al2O3；
21-25wt％MgO；
3-25wt％CaO；
0-5wt％Na2O；
0-5wt％Li2O；和
0-5wt％B2O3，其中所述玻璃纤维是生物可溶的，具有大于约200ng/cm2/小时的kdis。
2.权利要求1所述的组合物，其中所述组合物的kdis大于约300ng/cm2/小时。
3.权利要求1至2中任一项所述的组合物，其中所述组合物的kdis大于约1000ng/cm2/小时。
4.权利要求1至3中任一项所述的组合物，其中所述组合物以重量百分比计包含：
Figure FDA0002762417410000011
Figure FDA0002762417410000021
5.权利要求1至4中任一项所述的组合物，其中由玻璃组合物形成的玻璃纤维具有大于约82.7GPa的杨氏模量。
6.权利要求1至5中任一项所述的组合物，其中由玻璃组合物形成的玻璃纤维具有大于约89.6GPa的杨氏模量。
7.权利要求1至6中任一项所述的组合物，其中由玻璃组合物形成的玻璃纤维具有从约2.4至3.0g/cc的密度。
8.一种具有大于约200ng/cm2/小时的kdis的生物可溶的玻璃纤维，由包含以下的组合物形成：
45-55wt％SiO2；
20-45wt％Al2O3；
10-30wt％MgO；
3-25wt％CaO；
0-5wt％Li2O；和
0-5wt％B2O3,，
其中，所述组合物不含Na2O，并且具有至少2600°F的液相线，所述玻璃纤维具有从2.4至3.0g/cc的密度。
9.权利要求8所述的生物可溶的玻璃纤维，其中所述玻璃纤维适合用于增强复合材料。
10.权利要求8所述的生物可溶的玻璃纤维，其中通过矿物棉方法形成所述玻璃纤维。
11.权利要求8所述的生物可溶的玻璃纤维，其中所述玻璃纤维具有大于约82.7GPa的杨氏模量。
12.权利要求11所述的生物可溶的玻璃纤维，其中所述玻璃纤维具有大于约89.6GPa的杨氏模量。
13.根据权利要求8所述的生物可溶的玻璃纤维，其中所述玻璃纤维具有大于约300ng/cm2/小时的kdis值。
14.一种形成玻璃纤维的方法，包括：
提供玻璃配料，该玻璃配料包含：
40-60wt％SiO2；
31-50wt％Al2O3；
15-30wt％MgO；
0-3wt％CaO；
0-5wt％Na2O；
0-5wt％Li2O；和
0-9wt％B2O3，和
使用矿物棉方法纤维化所述玻璃配料以形成玻璃纤维，其中所述玻璃纤维是生物可溶的，具有大于约100ng/cm2/小时的kdis，其中所述玻璃纤维具有大于约82.7GPa的杨氏模量。
15.权利要求14所述的方法，其中所述玻璃纤维具有大于约200ng/cm2/小时的kdis值。
16.权利要求14至15中任一项所述的方法，其中所述玻璃纤维具有大于约300ng/cm2/小时的kdis值。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中由所述方法形成的玻璃纤维具有从约2.4至3.0g/cc的密度。
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