EA046187B1 - PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED MODULE OF ELASTICITY FOR CONCRETE REINFORCEMENT - Google Patents
PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED MODULE OF ELASTICITY FOR CONCRETE REINFORCEMENT Download PDFInfo
- Publication number
- EA046187B1 EA046187B1 EA202292200 EA046187B1 EA 046187 B1 EA046187 B1 EA 046187B1 EA 202292200 EA202292200 EA 202292200 EA 046187 B1 EA046187 B1 EA 046187B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- weight
- modulus
- composite material
- glass
- gpa
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 75
- 239000004567 concrete Substances 0.000 title claims description 17
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 title claims description 13
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 121
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 90
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 82
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 74
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 46
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 20
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 20
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229920001567 vinyl ester resin Polymers 0.000 claims description 12
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 10
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 8
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 claims description 8
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 claims description 7
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 4
- JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N Ethyl urethane Chemical compound CCOC(N)=O JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 2
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 239000000047 product Substances 0.000 description 29
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 28
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 26
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 description 24
- 229920005749 polyurethane resin Polymers 0.000 description 15
- 229920006337 unsaturated polyester resin Polymers 0.000 description 12
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 9
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 8
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 7
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 7
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 5
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 5
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical group C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Li2O Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N Na2O Inorganic materials [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 Sm 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 3
- 229910000272 alkali metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M dilithium;hydroxide Chemical compound [Li+].[Li+].[OH-] XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 3
- 239000004645 polyester resin Substances 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000004634 thermosetting polymer Substances 0.000 description 3
- HECLRDQVFMWTQS-RGOKHQFPSA-N 1755-01-7 Chemical compound C1[C@H]2[C@@H]3CC=C[C@@H]3[C@@H]1C=C2 HECLRDQVFMWTQS-RGOKHQFPSA-N 0.000 description 2
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical class [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- YNAVUWVOSKDBBP-UHFFFAOYSA-N Morpholine Chemical compound C1COCCN1 YNAVUWVOSKDBBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 2
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 2
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229920003986 novolac Polymers 0.000 description 2
- WWZKQHOCKIZLMA-UHFFFAOYSA-N octanoic acid Chemical class CCCCCCCC(O)=O WWZKQHOCKIZLMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FPLYNRPOIZEADP-UHFFFAOYSA-N octylsilane Chemical compound CCCCCCCC[SiH3] FPLYNRPOIZEADP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011342 resin composition Substances 0.000 description 2
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- JAHNSTQSQJOJLO-UHFFFAOYSA-N 2-(3-fluorophenyl)-1h-imidazole Chemical compound FC1=CC=CC(C=2NC=CN=2)=C1 JAHNSTQSQJOJLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 description 1
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 description 1
- 238000007088 Archimedes method Methods 0.000 description 1
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005635 Caprylic acid (CAS 124-07-2) Substances 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- UEEJHVSXFDXPFK-UHFFFAOYSA-O N-dimethylethanolamine Chemical compound C[NH+](C)CCO UEEJHVSXFDXPFK-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 229910017493 Nd 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N O.O.O.[Al] Chemical class O.O.O.[Al] MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006750 UV protection Effects 0.000 description 1
- BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N Vinyl chloride Chemical compound ClC=C BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 239000005354 aluminosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 239000002419 bulk glass Substances 0.000 description 1
- QHIWVLPBUQWDMQ-UHFFFAOYSA-N butyl prop-2-enoate;methyl 2-methylprop-2-enoate;prop-2-enoic acid Chemical compound OC(=O)C=C.COC(=O)C(C)=C.CCCCOC(=O)C=C QHIWVLPBUQWDMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000012215 calcium aluminium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- CJZGTCYPCWQAJB-UHFFFAOYSA-L calcium stearate Chemical class [Ca+2].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O CJZGTCYPCWQAJB-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 235000013539 calcium stearate Nutrition 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000000887 hydrating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001034 iron oxide pigment Substances 0.000 description 1
- WTFXARWRTYJXII-UHFFFAOYSA-N iron(2+);iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Fe+2].[Fe+3].[Fe+3] WTFXARWRTYJXII-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N methylenebutanedioic acid Natural products OC(=O)CC(=C)C(O)=O LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 229960002446 octanoic acid Drugs 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- WXZMFSXDPGVJKK-UHFFFAOYSA-N pentaerythritol Chemical compound OCC(CO)(CO)CO WXZMFSXDPGVJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003217 poly(methylsilsesquioxane) Polymers 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000004224 protection Effects 0.000 description 1
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 description 1
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000012047 saturated solution Substances 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- SCPYDCQAZCOKTP-UHFFFAOYSA-N silanol Chemical compound [SiH3]O SCPYDCQAZCOKTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 229920006305 unsaturated polyester Polymers 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Description
Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross reference to related applications
По настоящей заявке испрашивается приоритет и все преимущество предварительной патентной заявки США № 62/981,760, поданной 26 февраля 2020 года, содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.This application claims the benefit and benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62/981,760, filed February 26, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
Область техники настоящего изобретенияField of the present invention
Настоящее изобретение относится, в общем, к изделиям из композиционных материалов и, более конкретно, к имеющим высокий модуль упругости изделиям из композиционных материалов, таким как арматурные стержни (арматура) для бетона, которые содержат стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками.The present invention relates generally to composite products, and more particularly to high modulus composite products, such as concrete reinforcing bars, that contain high performance glass fibers.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Бетон представляет собой один из наиболее распространенных строительных материалов. Он находит применение в широком разнообразии конструкций, таких как мосты, стены, полы, опоры зданий, дороги и взлетно-посадочные полосы и многие другие. Бетон обладает превосходной прочностью при сжатии, но имеет очень низкую прочность при растяжении. В результате почти всегда оказывается необходимым армирование бетонной конструкции, если эта конструкция будет подвергаться растягивающим напряжениям, например, создаваемым изгибающей нагрузкой. Традиционно это армирование обеспечивается за счет введения в бетон металла, обычно в виде стальных стержней, для повышения прочности бетонной конструкции при растяжении.Concrete is one of the most common building materials. It finds application in a wide variety of structures such as bridges, walls, floors, building supports, roads and runways to name a few. Concrete has excellent compressive strength but has very low tensile strength. As a result, it is almost always necessary to reinforce a concrete structure if the structure is to be subjected to tensile stresses, such as those generated by bending loads. Traditionally, this reinforcement is provided by introducing metal into the concrete, usually in the form of steel bars, to increase the tensile strength of the concrete structure.
Стальная арматура в бетонных конструкциях имеет ряд недостатков по меньшей мере в определенных приложениях. Например, стальная арматура со временем подвергается коррозии под воздействием воды и солей. В процессе коррозии сталь проявляет тенденцию к расширению из-за образования слоев ржавчины, что вызывает растрескивание бетона и разрушение бетонной конструкции. Поэтому были предприняты попытки заменить стальную арматуру стержнями, хотя бы частично изготовленными из неметаллических материалов. Например, были разработаны пултрузионные композиционные армирующие материалы, содержащие термореактивную смолу, в которую встроены непрерывные волокна.Steel reinforcement in concrete structures has a number of disadvantages, at least in certain applications. For example, steel reinforcement corrodes over time when exposed to water and salts. During the process of corrosion, steel tends to expand due to the formation of layers of rust, which causes concrete to crack and the concrete structure to fail. Therefore, attempts have been made to replace steel reinforcement with bars made at least partially from non-metallic materials. For example, pultruded composite reinforcements have been developed that contain a thermoset resin into which continuous fibers are embedded.
Армированные волокнами композиционные материалы, такие как композиционные арматурные стержни, как правило, содержат волокнистый армирующие материалы (например, стеклянные, полимерные или углеродные волокна), внедренные в матрицу из смолы, которая представляет собой, например, полимер, такой как ненасыщенный сложный полиэфир или эпоксивиниловый сложный полиэфир. Волокнистый армирующий материал, как правило, содержит как нити или жгуты (каждый из которых содержит многочисленные волокна или нити, так и один или несколько матов или полотен из волокон.Fiber-reinforced composite materials, such as composite rebars, typically contain fibrous reinforcement materials (for example, glass, polymer or carbon fibers) embedded in a resin matrix, which is, for example, a polymer such as unsaturated polyester or epoxy vinyl polyester. The fibrous reinforcing material typically contains both filaments or tows (each containing multiple fibers or filaments) and one or more mats or webs of fibers.
Такие армированные волокном композиты часто получены способом пултрузии и имеют линейный или равномерный профиль. Традиционные способы пултрузии включают вытягивание пучка армирующего материала из соответствующего источника, смачивание и пропитывание волокон (предпочтительно термоотверждаемой полимерной смолой) посредством пропускания армирующего материала через ванну со смолой в открытом резервуаре, вытягивание смоченного и пропитанного смолой пучок через формовочный мундштук для выравнивания пучка волокон и придания ему надлежащей конфигурации поперечного сечения, а также отверждение смолы в форме при сохранении натяжения волокон.These fiber-reinforced composites are often pultruded and have a linear or uniform profile. Traditional pultrusion methods involve drawing a bundle of reinforcement material from a suitable source, wetting and impregnating the fibers (preferably with a thermoset polymer resin) by passing the reinforcement material through a resin bath in an open tank, drawing the wetted and resin-impregnated bundle through a molding die to align the fiber bundle and shape it proper cross-sectional configuration, and curing of the resin in the mold while maintaining fiber tension.
Для некоторых армированных волокном композиционных материалов, таких как арматурные стержни, требуется коррозионная стойкость, и поэтому их традиционно изготавливают с использованием устойчивых к коррозии стеклянных волокон (или стеклянных волокон типа E-CR). Стеклянные волокна типа E-CR представляют собой семейство алюмосиликатных стекол, обладающих высокой устойчивостью к воде, кислотам и щелочам. Стекла типа E-CR представляют собой не содержащие бор модифицированные композиции стекла типа Е с более высокой устойчивостью к кислотной коррозии, содержащие алюмосиликаты кальция и около 1% оксидов щелочных металлов. Как правило, стекла типа E-CR находят применение в тех случаях, когда необходимы прочность, электропроводность и стойкость к кислотной коррозии.Some fiber-reinforced composite materials, such as reinforcing bars, require corrosion resistance and are therefore traditionally manufactured using corrosion-resistant glass fibers (or E-CR glass fibers). E-CR glass fibers are a family of aluminosilicate glasses that are highly resistant to water, acids and alkalis. E-CR glasses are boron-free modified compositions of type E glass with higher resistance to acid corrosion, containing calcium aluminosilicates and about 1% alkali metal oxides. Typically, E-CR glass is used in applications where strength, electrical conductivity and resistance to acid corrosion are required.
Один из примеров представляет собой не содержащие бора стеклянных волокон типа E-CR, которые продает под товарным знаком ADVANTEX® компания Owens Coming (Толедо, штат Огайо, США). Такие не содержащие бора волокна, раскрытые в патенте США № 5,789,329, который во всей своей полноте включен в настоящий документ посредством ссылки, обеспечивают значительное улучшение рабочих температур по сравнению с борсодержащим стеклом типа Е. На стеклянные волокна типа E-CR распространяется определение стандарта ASTM для стеклянных волокон типа Е, предназначенных для применения в приложениях общего назначения.One example is boron-free E-CR glass fibers sold under the brand name ADVANTEX® by Owens Coming (Toledo, Ohio, USA). Such boron-free fibers, as disclosed in U.S. Patent No. 5,789,329, which is incorporated herein by reference in its entirety, provide significant improvements in operating temperatures over Type E boron glass. Type E-CR glass fibers fall within the scope of the ASTM standard for Type E glass fibers intended for use in general purpose applications.
Для того, чтобы изделия из композиционных материалов смогли представлять собой конкурентоспособную замену существующих стальных изделий, эти изделия из композиционных материалов должны проявлять повышенный модуль упругости и превосходную устойчивостью к щелочной коррозии.For composite products to be competitive replacements for existing steel products, these composite products must exhibit increased modulus and superior resistance to alkali corrosion.
В последнее время была разработана категория стеклянных волокон, известных как стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками, в целях улучшение механических свойств стекла. Стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками обладают более высокой прочностью и жесткостью по сравнению с традиционными волокнами из стекла типа Е. Термин модульRecently, a category of glass fibers known as high performance glass fibers has been developed to improve the mechanical properties of glass. High performance glass fibers have higher strength and stiffness than traditional E glass fibers. The term modulus
- 1 046187 упругости (взаимозаменяемый с термином модуль Юнга означает меру жесткости волокна, которая определяет взаимосвязь между напряжением, приложенным к материалу, и деформацией, производимой в указанном материале. Жесткий материал имеет высокий модуль упругости, и его форма незначительно изменяется при упругих нагрузках. Г ибкий материал имеет низкий модуль упругости, и его форма изменяется в значительной степени. В частности, для некоторых изделий жесткость имеет решающее значение в целях моделирования и эксплуатационные характеристики.- 1 046187 elasticity (interchangeable with the term Young's modulus means a measure of the stiffness of a fiber that determines the relationship between the stress applied to a material and the strain produced in said material. A rigid material has a high modulus of elasticity and its shape changes slightly under elastic loads. G A flexible material has a low modulus of elasticity and its shape changes to a large extent.In particular, for some products, stiffness is critical for modeling purposes and performance characteristics.
Хотя стекла с высокими эксплуатационными характеристиками являются общеизвестными, такие улучшения свойств достигаются за счет эксплуатационные характеристик коррозионной стойкости. В традиционных стеклах с высокими эксплуатационными характеристиками находят применение флюсы для снижения температуры плавления и улучшения диапазона формования или значения дельта Т (AT). Известно, что эти флюсы, такие как литий, бор и фтор, производят неблагоприятное воздействие на эксплуатационные характеристики щелочной коррозии. В результате этого традиционные стекла с высокими эксплуатационными характеристиками находили ограниченное применение в арматурных стержнях. Фактически, еще не создано стекло с высокими эксплуатационными характеристиками, которое можно было бы использовать в армированных волокном композиционных материалах, для которых требуется коррозионная стойкость. Таким образом, оказывается желательной разработка армированных волокнами композиционных материалов с использованием стекла с высокими эксплуатационными характеристиками при одновременном сохранении стойкости к щелочной коррозии в целях улучшения физических свойств изделий из композиционных материалов композитных деталей, таких как арматурные стержни и лестничные перила.Although high performance glasses are common knowledge, such performance improvements come at the expense of corrosion resistance performance characteristics. Traditional high performance glasses use fluxes to lower the melting point and improve formability or delta T (AT) values. These fluxes, such as lithium, boron and fluorine, are known to produce adverse effects on alkali corrosion performance. As a result, traditional high performance glasses have found limited use in reinforcing bars. In fact, no high-performance glass has yet been developed that can be used in fiber-reinforced composite materials that require corrosion resistance. Thus, it appears desirable to develop fiber-reinforced composite materials using high performance glass while maintaining resistance to alkali corrosion in order to improve the physical properties of composite products such as reinforcing bars and stair railings.
Сущность настоящего изобретенияSummary of the present invention
Перечисленные выше и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения становятся более понятными при рассмотрении подробного описания, которое представлено далее в настоящем документе.The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent upon consideration of the detailed description which is provided hereinafter.
Разнообразные аспекты концепций настоящего изобретения относятся к изделию из композиционного материала с высоким модулем упругости, содержащему полимерную смолу и множество однонаправленных стеклянных волокон с высокими эксплуатационными характеристиками. Однонаправленные стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют модуль упругости, составляющий по меньшей мере 89 ГПа, и прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4500 МПа, согласно стандарту ASTM D2343-09. Изделие из композиционного материала имеет массовое содержание волокон (FWF), составляющее не более чем 88%, и модуль упругости, составляющий по меньшей мере 60 ГПа, при измерении в соответствии со стандартом ASTM D7205.Various aspects of the concepts of the present invention relate to a high modulus composite material product comprising a polymer resin and a plurality of high performance unidirectional glass fibers. High performance unidirectional glass fibers have an elastic modulus of at least 89 GPa and a tensile strength of at least 4500 MPa according to ASTM D2343-09. The composite material product has a fiber weight content (FWF) of no more than 88% and an elastic modulus of at least 60 GPa when measured in accordance with ASTM D7205.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления полимерная смола выбрана из группы, которую составляют уретановые, акриловые, сложнополиэфирные, винилсложноэфирные и эпоксидные полимеры.In some exemplary embodiments, the polymer resin is selected from the group consisting of urethane, acrylic, polyester, vinyl ester, and epoxy polymers.
Изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости может представлять собой арматурные стержни, перильные ограждения, столбы, трубы, поперечные балки, инженерные коммуникации, кабели, телекоммуникационные устройства, лестничные перила и подобные изделия.The high modulus composite material product may include reinforcing bars, railings, posts, pipes, crossbeams, utilities, cables, telecommunications devices, stair railings, and the like.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления имеющий высокий модуль упругости композиционный материал содержит стеклянные волокна, которые изготовлены из композиции, в которой по существу отсутствуют В2О3 и фтор. Согласно этим или другим вариантам осуществления в композиции отсутствует Li2O.In some exemplary embodiments, the high modulus composite material comprises glass fibers that are made from a composition that is substantially free of B 2 O 3 and fluorine. In these or other embodiments, there is no Li 2 O present in the composition.
Стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4800 МПа, и модуль упругости, составляющий по меньшей мере 90 ГПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют удельный модуль упругости (т.е. модуль упругости, нормированный на плотность), составляющий от около 32,0 МДж/кг до около 37,0 МДж/кг.The high performance glass fibers have a tensile strength of at least 4800 MPa and a modulus of at least 90 GPa. In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers have a specific modulus (ie, density normalized modulus) of about 32.0 MJ/kg to about 37.0 MJ/kg.
Изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости, изготовленное с использованием таких стеклянных волокон с высокими эксплуатационными характеристиками, имеет модуль упругости, составляющий по меньшей мере 60 ГПа, согласно стандарту ASTM D7205, и может иметь одну или несколько характеристик, представляющих собой модуль упругости при изгибе, составляющий по меньшей мере 50 ГПа, и модуль упругости при растяжении, составляющий по меньшей мере 50 ГПа, согласно стандарту ASTM D7205, в зависимости от содержания волокон и плотности.A high modulus composite material product made using such high performance glass fibers has a modulus of at least 60 GPa according to ASTM D7205 and may have one or more flexural modulus properties , of at least 50 GPa, and a tensile modulus of at least 50 GPa, according to ASTM D7205, depending on fiber content and density.
Кроме того, разнообразные аспекты концепций настоящего изобретения относятся к способу получения изделия из композиционного материала с высоким модулем упругости, включающему вытягивание пучка однонаправленных стеклянных волокон с высокими эксплуатационными характеристиками из источника исходного материала. Волокна имеют модуль упругости, составляющий по меньшей мере 89 ГПа, и прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4500 МПа, согласно стандарту ASTM D2343-09. Способ дополнительно включает пропускание пучка через ванну, содержащую материал полимерной смолы, получение покрытого смолой пучка; протягивание покрытого смолой пучка через формовочный мундштук; и отверждение покрытого смолой пучка, получение изделия из композиционного материала с высоким модулем упругости, имеющего массовое содержание волокон (FWF), составIn addition, various aspects of the concepts of the present invention relate to a method of producing a high modulus composite material article comprising drawing a bundle of high performance unidirectional glass fibers from a source of raw material. The fibers have an elastic modulus of at least 89 GPa and a tensile strength of at least 4500 MPa, according to ASTM D2343-09. The method further includes passing the bundle through a bath containing a polymer resin material, obtaining a resin-coated bundle; drawing the resin-coated bundle through a molding die; and curing the resin-coated bundle, producing a high modulus composite material having a fiber weight content (FWF) composition
- 2 046187 ляющее не более чем 88%, и модуль упругости, составляющий по меньшей мере 60 ГПа, согласно стандарту ASTM D7205.- 2 046187 not more than 88%, and an elastic modulus of at least 60 GPa, according to ASTM D7205.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления полимерная смола выбрана из группы, которую составляют сложнополиэфирные, винилсложноэфирные и эпоксидные полимеры.In some exemplary embodiments, the polymer resin is selected from the group consisting of polyester, vinyl ester, and epoxy polymers.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками изготовлены из композиции, в которой по существу отсутствуют В2О3 и фтор. Согласно этим или другим вариантам осуществления в композиции может отсутствовать Li2O.In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers are made from a composition that is substantially free of B 2 O 3 and fluorine. In these or other embodiments, Li 2 O may be absent from the composition.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4800 МПа, и модуль упругости, составляющий по меньшей мере 90 ГПа.In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers have a tensile strength of at least 4800 MPa and a modulus of at least 90 GPa.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют удельный модуль упругости, составляющий от около 32,0 МДж/кг до около 37,0 МДж/кг.In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers have a specific modulus of about 32.0 MJ/kg to about 37.0 MJ/kg.
Изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости, изготовленное с использованием таких стеклянных волокон с высокими эксплуатационными характеристиками, имеет модуль упругости, составляющий по меньшей мере 60 ГПа, и может проявлять одну или несколько характеристик, представляющих собой модуль упругости при изгибе, составляющий по меньшей мере 50 ГПа, и модуль упругости при растяжении, составляющий по меньшей мере 50 ГПа.A high modulus composite material product made using such high performance glass fibers has a modulus of at least 60 GPa and may exhibit one or more of the characteristics of a flexural modulus of at least 50 GPa, and a tensile modulus of at least 50 GPa.
Краткое описание фигурBrief description of the figures
Общие концепции настоящего изобретения, а также соответствующие варианты осуществления и преимущества более подробно описаны ниже в качестве примера со ссылкой на следующие фигуры.The general concepts of the present invention, as well as corresponding embodiments and advantages, are described in more detail below by way of example with reference to the following figures.
На фиг. 1А и 1В проиллюстрированы диаграммы пултрузионной линии для изготовления стержней из композиционного материала согласно примерному варианту осуществления.In fig. 1A and 1B illustrate diagrams of a pultrusion line for producing composite rods according to an exemplary embodiment.
На фиг. 2 графически проиллюстрирован эффективный модуль упругости арматурных стержней в зависимости от массового содержания волокон из композиционных материалов, изготовленных с использованием традиционного стекла типа E-CR и стекла с высокими эксплуатационными характеристиками.In fig. Figure 2 graphically illustrates the effective modulus of elasticity of reinforcing bars as a function of the fiber weight content of composite materials made using traditional E-CR glass and high performance glass.
На фиг. 3А и 3В проиллюстрирован модуль упругости при изгибе для изделий из композиционных материалов, изготовленных с использованием традиционного стекла типа E-CR и стекла с высокими эксплуатационными характеристиками в ненасыщенной сложнополиэфирной и полиуретановой смолы.In fig. 3A and 3B illustrate the flexural modulus of composite products made using conventional E-CR glass and high performance glass in unsaturated polyester and polyurethane resin.
На фиг. 4А и 4В иллюстрируют прочность при изгибе для изделий из композиционных материалов, изготовленных с использованием традиционного стекла типа E-CR и стекла с высокими эксплуатационными характеристиками в ненасыщенной сложнополиэфирной и полиуретановой смолы.In fig. 4A and 4B illustrate flexural strength for composite products made using traditional E-CR glass and high performance glass in unsaturated polyester and polyurethane resin.
На фиг. 5А и 5В иллюстрируют модуль упругости при растяжении для изделий из композиционных материалов, изготовленных с использованием традиционного стекла типа E-CR и стекла с высокими эксплуатационными характеристиками в ненасыщенной сложнополиэфирной и полиуретановой смолы.In fig. 5A and 5B illustrate the tensile modulus of composite products made using conventional E-CR glass and high performance glass in unsaturated polyester and polyurethane resin.
На фиг. 6А и 6В иллюстрируют прочность при межслойном сдвиге для изделий из композиционных материалов, изготовленных с использованием традиционного стекла типа E-CR и стекла с высокими эксплуатационными характеристиками в ненасыщенной сложнополиэфирной и полиуретановой смолы.In fig. 6A and 6B illustrate interlaminar shear strength for composite products made using conventional E-CR glass and high performance glass in unsaturated polyester and polyurethane resin.
Подробное описание настоящего изобретенияDetailed Description of the Present Invention
Хотя общие концепции настоящего изобретения могут быть реализованы согласно вариантам осуществления в многочисленных различных формах, на фигурах проиллюстрированы и в настоящем документе подробно описаны соответствующие конкретные варианты осуществления с пониманием того, что настоящее изобретение следует рассматривать в качестве примерной реализации принципов согласно общим концепциям настоящего изобретения.Although the general concepts of the present invention may be implemented according to the embodiments in numerous different forms, corresponding specific embodiments are illustrated in the figures and described in detail herein with the understanding that the present invention should be considered as an exemplary implementation of the principles according to the general concepts of the present invention.
Если не определены иные условия, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют такие значения, которые, как правило, понимает обычный специалист в области техники, к которой относятся указанные примерные варианты осуществления. Терминология, используемая в описании в настоящем документе, предназначена исключительно для представления примерных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения примерных вариантов осуществления. Соответственно, общие концепции настоящего изобретения не предназначены для ограничения конкретными вариантами осуществления, которые проиллюстрированы в настоящем документе. Хотя другие способы и материалы, аналогичные или эквивалентные тем, которые описаны в настоящем документе, могут быть использованы в целях практического осуществления или испытания настоящего изобретения, предпочтительные способы и материалы описаны в настоящем документе.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the meanings that are commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the exemplary embodiments relate. The terminology used in the description herein is intended solely to represent exemplary embodiments and is not intended to limit exemplary embodiments. Accordingly, the general concepts of the present invention are not intended to be limited to the specific embodiments that are illustrated herein. Although other methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used for the purpose of practicing or testing the present invention, the preferred methods and materials are described herein.
При использовании в описании и прилагаемой формуле настоящего изобретения грамматические формы единственного числа также могут обозначать множественное число, если иные условия четко не указаны в соответствии с контекстом.When used in the specification and appended claims, grammatical forms of the singular may also denote the plural unless otherwise clearly indicated by the context.
Если не указаны иные условия, все числа, выражающие количества ингредиентов, химические и молекулярные свойства, условия реакции и другие параметры, которые используются в описании и прилагаемой формуле настоящего изобретения, следует понимать как сопровождающиеся во всех случаях термином приблизительно. Соответственно, если не указаны иные условия, числовые параметры, котоUnless otherwise indicated, all numbers expressing amounts of ingredients, chemical and molecular properties, reaction conditions and other parameters that are used in the description and appended claims of the present invention are to be understood to be accompanied in all cases by the term approximately. Accordingly, unless otherwise specified, the numerical parameters that
- 3 046187 рые приведены в описании и прилагаемой формуле настоящего изобретения, представляют собой приближенные значения, которые могут варьироваться в зависимости от желательный свойства, которые должны быть получены согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. По меньшей мере каждый числовой параметр следует истолковывать в свете числа значащих цифр и обычных правил округления.- 3 046187 The values given in the specification and appended claims of the present invention are approximate values that may vary depending on the desired properties to be obtained according to exemplary embodiments of the present invention. At a minimum, each numeric parameter should be interpreted in light of the number of significant figures and normal rounding rules.
Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, которые определяют широкий объем примерных вариантов осуществления, представляют собой приближенные значения, числовые значения, которые приведены в конкретных примерах, представлены с максимально возможной точностью. Однако любое числовое значение естественным образом содержит определенные ошибки, которые обязательно возникают в результате стандартного отклонения, обнаруживаемого в соответствующих испытательных измерениях. Каждый числовой диапазон, приведенный в описании и прилагаемой формуле настоящего изобретения, включает каждый менее широкий числовой диапазон, который находится в пределах указанного более широкого числового диапазона, как если бы все такие менее широкие числовые диапазоны были определенным образом представлены в настоящем документе. Кроме того, любое числовое значение, представленное в примерах, может быть использовано для определения верхней или нижней конечной точки более широкого композиционного диапазона, описанного в настоящем документе.Although the numerical ranges and parameters that define the broad scope of the exemplary embodiments are approximations, the numerical values that are given in the specific examples are presented to the greatest extent possible. However, any numerical value naturally contains certain errors, which necessarily arise as a result of the standard deviation found in the corresponding test measurements. Each numerical range set forth in the specification and appended claims of the present invention includes each smaller numerical range that falls within said broader numerical range as if all such smaller numerical ranges were specifically presented herein. In addition, any numerical value presented in the examples can be used to define the upper or lower endpoint of the broader compositional range described herein.
Согласно настоящему изобретению предложены армированные волокнами изделия из имеющего высокий модуль упругости композиционного материала (композиционный материал с высоким модулем упругости), в которых содержатся полимерная матрица и коррозионностойкое стекло с высокими эксплуатационными характеристиками для повышения эксплуатационных характеристик и экономичности, а также системы и способы получения такого композиционного материала с высоким модулем упругости. Композиционный материал с высоким модулем упругости имеет модуль упругости, составляющий по меньшей мере 60 ГПа, при измерении в соответствии со стандартом ASTM D7205 и имеющий содержание стекла (массовое содержание волокон (FWF)), которое составляет не более чем 85%.The present invention provides fiber reinforced high modulus composite products (high modulus composite) incorporating a polymer matrix and high performance corrosion resistant glass to improve performance and cost effectiveness, as well as systems and methods for producing such a composite. material with a high modulus of elasticity. The high modulus composite material has a modulus of at least 60 GPa when measured according to ASTM D7205 and has a glass content (fiber weight content (FWF)) that is no more than 85%.
Композиционный материал с высоким модулем упругости изготавливают, используя описанный ниже способ пултрузии, в котором непрерывные стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками пропускают через мундштук, чтобы получить стержень, брусок или другой линейный армирующий элемент, имеющий желательное поперечное сечение. Композиционный материал с высоким модулем упругости может представлять собой подвергнутый пултрузии композиционный материал любого типа, который известен, из которого могут быть изготовлены, в частности, но без ограничения ими, арматурные стержни, перильные ограждения, столбы, трубы, поперечные балки, инженерные коммуникации, кабели, телекоммуникационные устройства, лестничные перила и подобные изделия.The high modulus composite material is manufactured using the pultrusion process described below, in which continuous high performance glass fibers are passed through a die to produce a rod, bar, or other linear reinforcement having the desired cross-section. The high modulus composite material may be any type of pultruded composite material that is known from which can be made into, but not limited to, reinforcing bars, railings, posts, pipes, cross beams, utilities, cables , telecommunication devices, stair railings and similar products.
Как правило, армирующий элемент присутствует в форме стержня, имеющего круглое поперечное сечение. Указанные стержни можно изготавливать в виде отрезков любой желательной длины. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стержни могут быть подвергнуты формованию (например, изогнуты) и/или соединены с другими стержнями с получением более сложных форм и конструкций.Typically, the reinforcing element is present in the form of a rod having a circular cross-section. These rods can be manufactured in the form of segments of any desired length. In some exemplary embodiments, the rods may be molded (eg, bent) and/or connected to other rods to form more complex shapes and designs.
Композиционный материал с высоким модулем упругости содержит в качестве исходного материала непрерывные стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками. Термин стеклянное волокно с высокими эксплуатационными характеристиками означает стеклянное волокно, которое является коррозионностойким и проявляет прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4000 МПа и в некоторых случаях по меньшей мере 4500 МПа, согласно стандарту ASTM D2343-09, и модуль упругости, составляющий по меньшей мере 89 ГПа. Модуль упругости стеклянного волокна может быть определен посредством вычисления среднего значения результатов измерений пяти одиночных стеклянных волокон, измеряемых в соответствии с процедурой акустического измерения, которую представляет отчет Стеклянные волокна и измерительные устройства в артиллерийско-технической лаборатории ВМФ США (NOLTR), номер 65-87 от 23 июня 1965 г.The high modulus composite material contains high performance continuous glass fibers as its starting material. The term high performance glass fiber means glass fiber that is corrosion resistant and exhibits a tensile strength of at least 4000 MPa and in some cases at least 4500 MPa, according to ASTM D2343-09, and an elastic modulus of at least at least 89 GPa. The modulus of elasticity of a glass fiber can be determined by calculating the average of the measurements of five single glass fibers measured in accordance with the acoustic measurement procedure presented in the report Glass Fibers and Measuring Devices at the US Naval Ordnance Laboratory (NOLTR), number 65-87 dated June 23, 1965
В традиционных стеклах с высокими эксплуатационными характеристиками находят применение флюсы, содержащие, например литий, бор и фтор, которые, как известно, производят неблагоприятное воздействие на антикоррозионную стойкость. Напротив, в стеклянной композиции с высокими эксплуатационными характеристиками согласно настоящему изобретению В2О3, Li2O и фтор присутствуют в низком содержании или по меньшей мере по существу отсутствуют. При использовании в настоящем документе, практическое отсутствие В2О3, Li2O и фтора означает, что суммарное содержание присутствующих в композиции В2О3, Li2O и фтора составляет менее чем 1,0% по массе. Суммарное содержание присутствующих в композиции В2О3, Li2O и фтора может составлять менее чем около 0,5% по массе, в том числе менее чем около 0,2% по массе, менее чем около 0,1% по массе и менее чем около 0,05% по массе. Однако согласно некоторым примерным вариантам осуществления содержание лития может находиться на низком уровне, составляющем, например, от 0,1 до 2,0% по массе.Traditional high performance glasses use fluxes containing, for example, lithium, boron and fluorine, which are known to have an adverse effect on corrosion resistance. In contrast, in the high performance glass composition of the present invention, B 2 O 3 , Li2O and fluorine are present in low levels or at least substantially absent. As used herein, the virtual absence of B 2 O 3 , Li 2 O and fluorine means that the total content of B 2 O 3 , Li 2 O and fluorine present in the composition is less than 1.0% by weight. The total content of B 2 O 3 , Li 2 O and fluorine present in the composition may be less than about 0.5% by weight, including less than about 0.2% by weight, less than about 0.1% by weight and less than about 0.05% by weight. However, in some exemplary embodiments, the lithium content may be as low as 0.1 to 2.0% by weight, for example.
Неожиданно было обнаружено, что могут быть разработаны исходные материалы, представляющие собой стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками, которые имеют модуль упругости, составляющий по меньшей мере 89 ГПа, и достаточную антикоррозионную стойкость (проявление потери менее чем 12% гравиметрической массы после выдерживания в течение 24 часов в вызыSurprisingly, it has been discovered that high performance glass fiber precursors can be developed that have an elastic modulus of at least 89 GPa and sufficient anti-corrosion resistance (exhibiting a loss of less than 12% gravimetric mass after aging for 24 hours per call
- 4 046187 вающих коррозию средах или сохранение более чем 75% прочности после выдерживания в течение 32 суток вызывающих коррозию средах) для использования в изготовлении таких изделий, как арматурные стержни из композиционного материала, в которых традиционно находят применение имеющие худшие эксплуатационные характеристики традиционные стеклянные волокна типа E-CR.- 4 046187 in corrosive environments or retaining more than 75% of the strength after exposure to 32 days in corrosive environments) for use in the manufacture of products such as composite reinforcing bars, which have traditionally been used with inferior performance traditional glass fibers such as E-CR.
Прочность волокна при растяжении также называется в настоящем документе просто термином прочность. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления прочность при растяжении измеряют, используя необработанные волокна, представляющие собой нешлихтованные и необработанные волокна, изготовленные в лабораторных условиях, с применением прибора Instron для исследования при растяжении согласно стандарту ASTM D2343-09. Примерные стеклянные волокна могут иметь прочность при растяжении волокно, составляющую по меньшей мере 4500 МПа, по меньшей мере 4800 МПа, по меньшей мере 4900 МПа, по меньшей мере 4950 МПа, по меньшей мере 5000 МПа, по меньшей мере 5100 МПа, по меньшей мере 5150 МПа и по меньшей мере 5200 МПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна, изготовленные из описанной выше композиции, имеют прочность при растяжении волокна, составляющую от около 3500 до около 5500 МПа, в том числе от около 4000 МПа до около 5300 и от около 4600 до около 5250 МПа. Преимущественно стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4800 МПа, в том числе по меньшей мере 4900 МПа и по меньшей мере 5000 МПа.Fiber tensile strength is also referred to herein simply as strength. In some exemplary embodiments, tensile strength is measured using raw fibers, which are unsize and untreated fibers manufactured in a laboratory setting, using an Instron tensile tester according to ASTM D2343-09. Exemplary glass fibers may have a fiber tensile strength of at least 4500 MPa, at least 4800 MPa, at least 4900 MPa, at least 4950 MPa, at least 5000 MPa, at least 5100 MPa, at least 5150 MPa and at least 5200 MPa. In some exemplary embodiments, glass fibers made from the composition described above have a fiber tensile strength of from about 3500 to about 5500 MPa, including from about 4000 MPa to about 5300 and from about 4600 to about 5250 MPa. Advantageously, the high performance glass fibers have a tensile strength of at least 4800 MPa, including at least 4900 MPa and at least 5000 MPa.
Стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками могут иметь модуль упругости, составляющий по меньшей мере около 85 ГПа, в том числе по меньшей мере около 88 ГПа, по меньшей мере около 88,5 ГПа, по меньшей мере около 89 ГПа и по меньшей мере около 89,5 ГПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления примерные стеклянные волокна имеют модуль упругости, составляющий от около 85 ГПа до около 95 ГПа, в том числе от около 87 ГПа до около 92 ГПа и от около 88 ГПа до около 91 ГПа. Как упомянуто выше, модуль упругости стеклянного волокна может быть определен посредством вычисления среднего значения результатов измерений пяти одиночных стеклянных волокон, измеряемых в соответствии с процедурой акустического измерения, которую представляет отчет Стеклянные волокна и измерительные устройства в артиллерийскотехнической лаборатории ВМФ США (NOLTR), номер 65-87 от 23 июня 1965 г.The high performance glass fibers may have a modulus of at least about 85 GPa, including at least about 88 GPa, at least about 88.5 GPa, at least about 89 GPa, and at least about 89 .5 GPa. In some exemplary embodiments, exemplary glass fibers have a modulus of elasticity ranging from about 85 GPa to about 95 GPa, including from about 87 GPa to about 92 GPa and from about 88 GPa to about 91 GPa. As mentioned above, the modulus of elasticity of a glass fiber can be determined by calculating the average value of the measurements of five single glass fibers measured in accordance with the acoustic measurement procedure presented in the report Glass Fibers and Measuring Devices at the US Naval Ordnance Laboratory (NOLTR), number 65- 87 of June 23, 1965
Согласно одному или нескольким примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют умеренно высокий модуль упругости, составляющий между около 90 ГПа и около 92 ГПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют модуль упругости, составляющий по меньшей мере 90,5 ГПа, в том числе по меньшей мере 90,6 ГПа, по меньшей мере 90,8 ГПа, по меньшей мере 91,0 ГПа, по меньшей мере 91,2 ГПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют модуль упругости, составляющий от около 90,2 ГПа до около 92 ГПа, в том числе от около 90,5 ГПа до около 91,9 ГПа и от около 90,7 ГПа до около 91,8 ГПа.In one or more exemplary embodiments, the high performance glass fibers have a moderately high elastic modulus of between about 90 GPa and about 92 GPa. In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers have a modulus of at least 90.5 GPa, including at least 90.6 GPa, at least 90.8 GPa, at least 91.0 GPa , at least 91.2 GPa. In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers have a modulus of elasticity ranging from about 90.2 GPa to about 92 GPa, including from about 90.5 GPa to about 91.9 GPa and from about 90.7 GPa to about 91.8 GPa.
Модуль упругости затем может быть использован для определения удельного модуля упругости. Оказывается желательным, чтобы удельный модуль упругости был максимально высоким, насколько это возможно, в целях получения имеющего низкую плотность композиционного материала, который увеличивает жесткость конечного изделия. Удельный модуль упругости имеет большое значение в таких приложениях, в которых жесткость изделия представляет собой важный параметр, таких как армирующие стержни для бетона. При использовании в настоящем документе удельный модуль упругости вычисляют согласно следующему уравнению: удельный модуль упругости (МДж/кг)=модуль упругости (ГПа)/плотность (кг/куб, м).The elastic modulus can then be used to determine the specific elastic modulus. It is desirable for the specific modulus to be as high as possible in order to obtain a low density composite material that increases the stiffness of the final product. The specific modulus of elasticity is of great importance in applications in which the stiffness of the product is an important parameter, such as reinforcing bars for concrete. As used herein, the specific modulus of elasticity is calculated according to the following equation: specific modulus of elasticity (MJ/kg)=modulus of elasticity (GPa)/density (kg/cu.m.).
Стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками могут иметь удельный модуль упругости, составляющий от около 32,0 МДж/кг до около 37,0 МДж/кг, в том числе от около 33 МДж/кг до около 36 МДж/кг и от около 33,5 МДж/кг до около 35,5 МДж/кг.High performance glass fibers may have a specific modulus of about 32.0 MJ/kg to about 37.0 MJ/kg, including about 33 MJ/kg to about 36 MJ/kg and about 33. 5 MJ/kg to about 35.5 MJ/kg.
Плотность может быть измерена любым способом, который является известным и общепринятым в технике, такой как способ Архимеда согласно стандарту ASTM C693-93 (2008), для не подвергнутого отжигу объемного стекла. Стеклянные волокна имеют плотность, составляющую от около 2,0 до около 3,0 г/куб, см. Согласно другим примерным вариантам осуществления стеклянные волокна имеют плотность, составляющую от около 2,3 до около 2,8 г/куб, см, в том числе от около 2,4 до около 2,7 г/куб, см и от около 2,5 до около 2,65 г/куб, см.Density can be measured by any method that is known and generally accepted in the art, such as the Archimedes method according to ASTM C693-93 (2008) for unannealed bulk glass. The glass fibers have a density of about 2.0 to about 3.0 g/cm. In other exemplary embodiments, the glass fibers have a density of about 2.3 to about 2.8 g/cm. including from about 2.4 to about 2.7 g/cube, cm and from about 2.5 to about 2.65 g/cube, cm.
Кроме того, стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками имеют повышенную стойкость к щелочной коррозии. Антикоррозионная стойкость может быть количественно определена любым способом, который является известным и общепринятым в технике, в технике, такой как измерение процентной потери гравиметрической массы стеклянных волокон после выдерживания в течение 24 часов в одной из следующих сред: рН 12,88 NaOH, 10% HCl или 10% H2SO4. Стеклянные волокна, у которых потеря гравиметрической массы составляет менее чем 12% после выдерживания в течение 24 часов, считаются обладающими повышенной антикоррозионной стойкостью. Кроме того, антикоррозионная стойкость может быть количественно определена посредством измерения процентного сохранения прочности после выдерживания в течение 32 суток в одной из следующих сред: рН 12,88 NaOH,In addition, high performance glass fibers have increased resistance to alkali corrosion. Anti-corrosion resistance can be quantified by any method that is known and generally accepted in the art, such as measuring the percentage loss of gravimetric weight of glass fibers after exposure for 24 hours in one of the following environments: pH 12.88 NaOH, 10% HCl or 10% H2SO4. Glass fibers that exhibit a loss of gravimetric mass of less than 12% after exposure for 24 hours are considered to have superior corrosion resistance. Additionally, corrosion resistance can be quantified by measuring the percentage strength retention after aging for 32 days in one of the following environments: pH 12.88 NaOH,
- 5 046187- 5 046187
10% HCl или 10% H2SO4. Стеклянные волокна, сохраняющие по меньшей мере 75% прочности в сухом состоянии после выдерживания в течение 32 суток, считаются обладающими антикоррозионной стойкостью.10% HCl or 10% H2SO4. Glass fibers that retain at least 75% dry strength after aging for 32 days are considered to have corrosion resistance.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления диаметр исходных стеклянных волокон с высокими эксплуатационными характеристиками находится в пределах диапазона от 13 мкм до 35 мкм. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления диаметр исходных стеклянных волокон с высокими эксплуатационными характеристиками находится в пределах диапазона от 17 мкм до 32 мкм. Как правило, на исходный материал (например, стеклянные волокна или углеродные волокна) нанесена шлихту, которая является совместимой с матричной смолой, которая применяется для получения стержня из композиционного материала.In some exemplary embodiments, the diameter of the precursor high performance glass fibers is within the range of 13 microns to 35 microns. In some exemplary embodiments, the diameter of the precursor high performance glass fibers is within the range of 17 microns to 32 microns. Typically, the starting material (eg, glass fibers or carbon fibers) is coated with a size that is compatible with the matrix resin that is used to form the composite rod.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления содержание стекла составляет не более чем 88 мас.% изготовленного пултрузией стержня. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления содержание стеклянного или гибридного волокна находится в пределах диапазона от 50 мас.% до 88 мас.% изготовленного пултрузией стержня. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления содержание стекла находится в пределах диапазона от 55 мас.% до 86 мас.%, в том числе от 58 мас.% до 85 мас.% и от 60 мас.% и 80 мас.%. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления содержание стекла находится в диапазоне от 80 мас.% до 86 мас.% изготовленного пултрузией изделия.In some exemplary embodiments, the glass content is no more than 88 weight percent of the pultruded rod. In some exemplary embodiments, the glass or hybrid fiber content ranges from 50 wt.% to 88 wt.% of the pultruded rod. In some exemplary embodiments, the glass content is within the range of 55 wt% to 86 wt%, including 58 wt% to 85 wt% and 60 wt% and 80 wt%. In some exemplary embodiments, the glass content ranges from 80 wt.% to 86 wt.% of the pultruded article.
Стеклянные композиции.Glass compositions.
Примерная стеклянная композиция I.Exemplary glass composition I.
Стеклянная композиция с высокими эксплуатационными характеристиками может содержать от около 55,0 до около 65,0% по массе SiO2, от около 17,0 до около 27,0% по массе Al2O3, от около 8,0 до около 15,0% по массе MgO, от около 7,0 до около 12,0% по массе СаО, от около 0,0 до около 1,0% по массе Na2O, от 0 до около 2,0% по массе TiO2, от 0 до около 2,0% по массе Fe2O3 и не более чем 0,5% по массе Li2O.The high performance glass composition may contain from about 55.0 to about 65.0% by weight SiO 2 , from about 17.0 to about 27.0% by weight Al 2 O 3 , from about 8.0 to about 15 .0% by weight MgO, about 7.0 to about 12.0% by weight CaO, about 0.0 to about 1.0% by weight Na 2 O, 0 to about 2.0% by weight TiO 2 , from 0 to about 2.0% by weight Fe 2 O 3 and not more than 0.5% by weight Li 2 O.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция может содержать от около 57,0 до около 62,0% по массе SiO2, от около 19,0 до около 25,0% по массе Al2O3, от около 10,5 до около 14,0% по массе MgO, от около 7,5 до около 10,0% по массе СаО, от около 0,0 до около 0,5% по массе Na2O, от 0,2 до около 1,5% по массе TiO2, от 0 до около 1,0% по массе Fe2O3 и не более чем 0,1% по массе Li2O. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция имеет соотношение Al2O3/MgO, составляющее менее чем 2, и соотношение MgO/CaO, составляющее по меньшей мере 1,25.In some exemplary embodiments, the glass composition may contain from about 57.0 to about 62.0% by weight SiO 2 , from about 19.0 to about 25.0% by weight Al 2 O 3 , from about 10.5 to about 14.0% by weight MgO, about 7.5 to about 10.0% by weight CaO, about 0.0 to about 0.5% by weight Na 2 O, 0.2 to about 1.5% by weight TiO 2 , from 0 to about 1.0% by weight Fe 2 O 3 and not more than 0.1% by weight Li 2 O. In some exemplary embodiments, the glass composition has an Al 2 O 3 /MgO ratio of less than 2, and a MgO/CaO ratio of at least 1.25.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция может содержать от около 57,5 до около 60,0% по массе SiO2, от около 19,5 до около 21,0% по массе Al2O3, от около 11,0 до около 13,0% по массе MgO, от около 8,0 до около 9,5% по массе СаО, от около 0,02 до около 0,25% по массе Na2O, от 0,5 до около 1,2% по массе TiO2, от 0 до около 0,5% по массе Fe2O3 и не более чем 0,05% по массе Li2O. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция имеет соотношение Al2O3/MgO, составляющее не более чем 1,8, и соотношение MgO/CaO, составляющее по меньшей мере 1,25.In some exemplary embodiments, the glass composition may contain from about 57.5 to about 60.0% by weight SiO 2 , from about 19.5 to about 21.0% by weight Al 2 O 3 , from about 11.0 to about 13.0% by weight MgO, about 8.0 to about 9.5% by weight CaO, about 0.02 to about 0.25% by weight Na 2 O, 0.5 to about 1.2% by weight TiO 2 , from 0 to about 0.5% by weight Fe 2 O 3 and not more than 0.05% by weight Li2O. In some exemplary embodiments, the glass composition has an Al2O3/MgO ratio of at most 1.8 and a MgO/CaO ratio of at least 1.25.
Стеклянная композиция содержит по меньшей мере 55% по массе, но не более чем 65% по массе SiO2. Содержание SiO2, составляющее более чем 65% по массе, приводит к тому, что вязкость стеклянной композиции увеличивается до неблагоприятного уровня. Кроме того, содержание SiO2, составляющее менее чем 55% по массе, увеличивает температуру ликвидуса и усиливает склонность к кристаллизации. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит по меньшей мере 57% по массе SiO2, в том числе по меньшей мере 57,5% по массе, по меньшей мере 58% по массе, по меньшей мере 58,5% по массе и по меньшей мере 59% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит не более чем 60,5% по массе SiO2, в том числе не более чем 60,3% по массе, не более чем 60,2% по массе, не более чем 60% по массе, не более чем 59,8% по массе и не более чем 59,5% по массе.The glass composition contains at least 55% by weight, but not more than 65% by weight, SiO 2 . A SiO 2 content of more than 65% by weight causes the viscosity of the glass composition to increase to an unfavorable level. In addition, a SiO 2 content of less than 55% by weight increases the liquidus temperature and increases the tendency to crystallize. In some exemplary embodiments, the glass composition contains at least 57% by weight SiO2, including at least 57.5% by weight, at least 58% by weight, at least 58.5% by weight, and at least at least 59% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition contains no more than 60.5% by weight SiO2, including no more than 60.3% by weight, no more than 60.2% by weight, no more than 60% by weight, not more than 59.8% by weight and not more than 59.5% by weight.
Для одновременного достижения желательных механических и волокнообразующих свойств один важный аспект стеклянной композиции представляет собой содержание Al2O3, составляющее по меньшей мере 19,0% по массе и не более чем 27% по массе. Содержание Al2O3, составляющее более чем 27% по массе, вызывает увеличение температуры ликвидуса стекла до уровня, превышающего температуру волокнообразования, и в результате этого получается отрицательное значение AT. При содержании Al2O3, составляющем менее чем 19% по массе, образуется стеклянное волокно, имеющее неблагоприятно низкий модуль упругости. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция имеет содержание Al2O3, составляющее по меньшей мере 19,5% по массе, в том числе по меньшей мере 19,7% по массе, по меньшей мере 20% по массе, по меньшей мере 20,25% по массе и по меньшей мере 20,5% по массе.To simultaneously achieve the desired mechanical and fiberizing properties, one important aspect of the glass composition is an Al 2 O 3 content of at least 19.0% by weight and no more than 27% by weight. An Al 2 O 3 content of more than 27% by weight causes the liquidus temperature of the glass to increase to a level above the fiberization temperature, resulting in a negative AT value. When the Al 2 O 3 content is less than 19% by weight, a glass fiber having an unfavorably low elastic modulus is formed. In some exemplary embodiments, the glass composition has an Al 2 O 3 content of at least 19.5% by weight, including at least 19.7% by weight, at least 20% by weight, at least 20 .25% by weight and at least 20.5% by weight.
Стеклянная композиция преимущественно содержит по меньшей мере 8,0% по массе и не более чем 15% по массе MgO. Содержание MgO, составляющее более чем 15% по массе будет приводить к увеличению температуры ликвидуса, в результате чего будет также увеличиваться склонность стекла к кристаллизации. При содержании MgO, составляющем менее чем 8,0% по массе, образуется стеклянное воThe glass composition advantageously contains at least 8.0% by weight and not more than 15% by weight MgO. A MgO content of more than 15% by weight will lead to an increase in the liquidus temperature, which will also increase the tendency of the glass to crystallize. When the MgO content is less than 8.0% by weight, glass water is formed.
- 6 046187 локно, имеющее неблагоприятно низкий модуль упругости в том случае, если MgO замещается СаО, и происходит неблагоприятное увеличение вязкости в том случае, если MgO замещается SiO2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит по меньшей мере 9,5% по массе MgO, в том числе по меньшей мере 10% по массе, по меньшей мере 10,5% по массе, по меньшей мере 11% по массе, по меньшей мере 11,10% по массе, по меньшей мере 11,25% по массе, по меньшей мере 12,5% по массе, и по меньшей мере 13% по массе MgO.- 6 046187 fiber having an unfavorably low elastic modulus when MgO is replaced by CaO, and an unfavorable increase in viscosity occurs when MgO is replaced by SiO2. In some exemplary embodiments, the glass composition contains at least 9.5% by weight MgO, including at least 10% by weight, at least 10.5% by weight, at least 11% by weight, at least at least 11.10% by weight, at least 11.25% by weight, at least 12.5% by weight, and at least 13% by weight MgO.
Другой важный аспект стеклянной композиции согласно настоящему изобретению, который делает возможным достижение желательных механических и волокнообразующих свойств, заключается в том, что соотношение Al2O3/MgO составляет не более чем 2,0. Было обнаружено, что для стеклянных волокон, состав которых в остальных отношениях находится в аналогичных композиционных диапазонах, но у которых соотношение Al2O3/MgO составляет более чем 2,0, оказывается невозможным достижение прочности при растяжении, составляющей по меньшей мере 4800 МПа, согласно стандарту ASTM D2343-09. Согласно определенным примерным аспектам сочетание содержания Al2O3, составляющего по меньшей мере 19% по массе, и соотношения Al2O3/MgO, составляющего не более чем 2, в том числе не более чем 1,9, и не более чем 1,85, делает возможным получение стеклянных волокон, имеющих желательные волокнообразующие свойства и прочность при растяжении, составляющую по меньшей мере 4800 МПа, согласно стандарту ASTM D2343-09.Another important aspect of the glass composition according to the present invention, which makes it possible to achieve the desired mechanical and fiber-forming properties, is that the Al 2 O 3 /MgO ratio is no more than 2.0. It has been found that for glass fibers that are otherwise in similar compositional ranges but have an Al2O3/MgO ratio greater than 2.0, it is not possible to achieve a tensile strength of at least 4800 MPa according to the ASTM standard D2343-09. In certain exemplary aspects, the combination of an Al 2 O 3 content of at least 19% by weight and an Al2O3/MgO ratio of no more than 2, including no more than 1.9, and no more than 1.85, makes it possible to obtain glass fibers having desirable fiber-forming properties and a tensile strength of at least 4800 MPa, according to ASTM D2343-09.
Стеклянная композиция преимущественно содержит по меньшей мере 7,0% по массе и не более чем 12% по массе СаО. При содержании СаО, составляющем более чем 12% по массе, образуется стекло, имеющее низкий модуль упругости. При содержании СаО, составляющем менее чем 7% по массе, будет происходить неблагоприятное увеличение температура ликвидуса или вязкость в зависимости от того, чем замещается СаО. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание СаО составляет по меньшей мере 8,0% по массе, в том числе по меньшей мере 8,3% по массе, по меньшей мере 8,5% по массе, по меньшей мере 8,7% по массе и по меньшей мере 9,0% по массе.The glass composition advantageously contains at least 7.0% by weight and not more than 12% by weight CaO. When the CaO content is more than 12% by weight, glass is formed which has a low elastic modulus. If the CaO content is less than 7% by weight, an unfavorable increase in liquidus temperature or viscosity will occur depending on what is replacing the CaO. In some exemplary embodiments, the glass composition has a CaO content of at least 8.0% by weight, including at least 8.3% by weight, at least 8.5% by weight, at least 8.7 % by weight and at least 9.0% by weight.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления суммарное содержание SiO2, Al2O3, MgO и СаО составляет по меньшей мере 98% по массе или по меньшей мере 99% по массе и не более чем 99,5% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления суммарное содержание SiO2, Al2O3, MgO и СаО составляет от 98,3% по массе до 99,5% по массе, в том числе от 98,5% по массе до 99,4% по массе и от 98,7% по массе и 99,3% по массе.In some exemplary embodiments, the total content of SiO2, Al2O3, MgO and CaO is at least 98% by weight, or at least 99% by weight and not more than 99.5% by weight. In some exemplary embodiments, the total content of SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO and CaO is from 98.3% by weight to 99.5% by weight, including from 98.5% by weight to 99.4% by weight by weight and from 98.7% by weight and 99.3% by weight.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления суммарное содержание MgO и СаО составляет по меньшей мере 10% по массе и не более чем 22% по массе, в том числе от 13% по массе до 21,8% по массе и от 14% по массе до 21,5% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления суммарное содержание MgO и СаО составляет по меньшей мере 20% по массе.In some exemplary embodiments, the combined content of MgO and CaO is at least 10% by weight and no more than 22% by weight, including from 13% by weight to 21.8% by weight and from 14% by weight to 21 .5% by weight. In some exemplary embodiments, the combined content of MgO and CaO is at least 20% by weight.
Стеклянная композиция может содержать вплоть до около 2,0% по массе TiO2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание TiO2 составляет от около 0,01% по массе до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,1% по массе до около 0,8% по массе и от около 0,2 до около 0,7% по массе.The glass composition may contain up to about 2.0% by weight TiO2. In some exemplary embodiments, the glass composition has a TiO2 content of from about 0.01% by weight to about 1.0% by weight, including from about 0.1% by weight to about 0.8% by weight and from about 0.2 to about 0.7% by weight.
Стеклянная композиция может содержать вплоть до около 2,0% по массе Fe2O3. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Fe2O3 составляет от около 0,01% по массе до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,05% по массе до около 0,6% по массе и от около 0,1 до около 0,5% по массе.The glass composition may contain up to about 2.0% by weight Fe 2 O 3 . In some exemplary embodiments, the glass composition has a Fe 2 O 3 content of from about 0.01% by weight to about 1.0% by weight, including from about 0.05% by weight to about 0.6% by weight and from about 0.1 to about 0.5% by weight.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание оксидов щелочных металлов Na2O и K2O составляет менее чем 2,0% по массе, в том числе от 0 до 1,5% по массе. Стеклянная композиция может преимущественно содержать одновременно Na2O и K2O в количестве, составляющем более чем 0,01% по массе для каждого оксида. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Na2O составляет от около 0 до около 1% по массе, в том числе от около 0,01 до около 0,5% по массе, от около 0,03 до около 0,3% по массе и от около 0,04 до около 0,1% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание K2O составляет от около 0 до около 1% по массе, в том числе от около 0,01 до около 0,5% по массе, от около 0,03 до около 0,3% по массе и от около 0,04 до около 0,1% по массе.In some exemplary embodiments, the glass composition contains less than 2.0% by weight of alkali metal oxides Na 2 O and K2O, including 0 to 1.5% by weight. The glass composition may advantageously contain both Na2O and K2O in an amount of greater than 0.01% by weight for each oxide. In some exemplary embodiments, the glass composition has a Na2O content of from about 0 to about 1% by weight, including from about 0.01 to about 0.5% by weight, from about 0.03 to about 0.3% by weight by weight and from about 0.04 to about 0.1% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition has a K 2 O content of from about 0 to about 1% by weight, including from about 0.01 to about 0.5% by weight, from about 0.03 to about 0.3 % by weight and from about 0.04 to about 0.1% by weight.
Примерная стеклянная композиция II.Exemplary glass composition II.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками изготовлены из стеклянной композиции, которая содержит по меньшей мере 57% по массе, но не более чем 62% по массе SiO2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание SiO2, составляет по меньшей мере или более чем 57,25% по массе, в том числе по меньшей мере или более чем 57,5% по массе, по меньшей мере или более чем 58% по массе, и по меньшей мере или более чем 58,25% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание SiO2, составляет не более чем 60,5% по массе, в том числе не более чем 60,3% по массе, не более чем 60,2% по массе, не более чем 60% по массе, не более чем 59,8% по массе, и не более чем 59,5% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит от 57,5% по массе до менее чем 59% по массе SiO2.In some exemplary embodiments, the high performance glass fibers are made from a glass composition that contains at least 57% by weight, but not more than 62% by weight, SiO 2 . In some exemplary embodiments, the glass composition has a SiO 2 content of at least or greater than 57.25% by weight, including at least or greater than 57.5% by weight, at least or greater than 58% by weight, and at least or more than 58.25% by weight. According to some exemplary embodiments, the glass composition has a SiO 2 content of no more than 60.5% by weight, including no more than 60.3% by weight, no more than 60.2% by weight, no more than 60 % by weight, not more than 59.8% by weight, and not more than 59.5% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition contains from 57.5% by weight to less than 59% by weight SiO 2 .
Согласно этим или другим примерным вариантам осуществления для одновременного достиженияAccording to these or other exemplary embodiments, to simultaneously achieve
- 7 046187 желательных механических и волокнообразующих свойств один важный аспект стеклянной композиции заключается в том, что содержание Al2O3 составляет по меньшей мере 19,0% по массе и не более чем 25,0% по массе. Содержание Al2O3, которое составляет менее чем 19,0% по массе, способствует образованию стеклянного волокна, имеющего неблагоприятно низкий модуль упругости. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Al2O3 составляет по меньшей мере 19,5% по массе, в том числе по меньшей мере 19,7% по массе, по меньшей мере 20,0% по массе, по меньшей мере 20,05% по массе и по меньшей мере 20,10% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Al2O3 составляет не более чем 22,0% по массе, в том числе не более чем 21,8% по массе, не более чем 21,6% по массе, не более чем 21,2% по массе, не более чем 21,1% по массе и не более чем 21% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Al2O3 составляет от 20,0% по массе до менее чем 21% по массе. При более высоком содержании Al2O3 происходит увеличение склонности к кристаллизации.- 7 046187 desirable mechanical and fiber-forming properties, one important aspect of the glass composition is that the Al2O3 content is at least 19.0% by weight and no more than 25.0% by weight. An Al2O3 content that is less than 19.0% by mass promotes the formation of glass fiber having an unfavorably low elastic modulus. In some exemplary embodiments, the glass composition has an Al 2 O 3 content of at least 19.5% by weight, including at least 19.7% by weight, at least 20.0% by weight, at least 20.05% by weight and at least 20.10% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition contains Al 2 O 3 of no more than 22.0% by weight, including no more than 21.8% by weight, no more than 21.6% by weight, no more than 21.2% by weight, not more than 21.1% by weight and not more than 21% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition has an Al2O3 content of from 20.0% by weight to less than 21% by weight. At a higher Al 2 O3 content, the tendency to crystallize increases.
Стеклянная композиция преимущественно содержит по меньшей мере 8,0% по массе и не более чем 15% по массе MgO. Содержание MgO, составляющее более чем 15% по массе будет приводить к увеличению температуры ликвидуса, и при этом также будет увеличиваться склонность стекла к кристаллизации. Содержание MgO, составляющее менее чем 8,0% по массе, приводит к образованию стеклянного волокна, имеющего неблагоприятно низкий модуль упругости, в том случае, если MgO замещается СаО, и к неблагоприятному увеличению вязкости, в том случае, если MgO замещается SiO2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянная композиция содержит по меньшей мере 9,5% по массе MgO, в том числе по меньшей мере 10% по массе, по меньшей мере 10,5% по массе, по меньшей мере 11% по массе, по меньшей мере 11,10% по массе и по меньшей мере 11,20% по массе MgO. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание MgO составляет не более чем 12,5% по массе, в том числе не более чем 12,0% по массе, не более чем 11,9% по массе или не более чем 11,8% по массе. Согласно разнообразным примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание MgO составляет от 10,5% по массе до менее чем 12,0% по массе.The glass composition advantageously contains at least 8.0% by weight and not more than 15% by weight MgO. A MgO content of more than 15% by weight will lead to an increase in the liquidus temperature, and the tendency of the glass to crystallize will also increase. A MgO content of less than 8.0% by weight results in a glass fiber having an unfavorably low elastic modulus when MgO is replaced by CaO and an unfavorable increase in viscosity when MgO is replaced by SiO 2 . In some exemplary embodiments, the glass composition contains at least 9.5% by weight MgO, including at least 10% by weight, at least 10.5% by weight, at least 11% by weight, at least at least 11.10% by weight and at least 11.20% by weight MgO. In some exemplary embodiments, the glass composition contains MgO of no more than 12.5% by weight, including no more than 12.0% by weight, no more than 11.9% by weight, or no more than 11.8 % by weight. In various exemplary embodiments, the glass composition has a MgO content of from 10.5% by weight to less than 12.0% by weight.
Стеклянная композиция преимущественно содержит по меньшей мере 7,0% по массе и не более чем 12% по массе СаО. Содержание СаО, составляющее более чем 12% по массе, приводит к образованию стекла, имеющего низкий модуль упругости. При содержании СаО, составляющем менее чем 7% по массе, будет неблагоприятно увеличиваться температура ликвидуса или вязкость в зависимости от того, чем замещается оксид СаО. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание СаО составляет по меньшей мере 8,0% по массе, в том числе по меньшей мере 8,1% по массе и по меньшей мере 8,2% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание СаО составляет не более чем 11,5% по массе, в том числе не более чем 10,0% по массе, не более чем 9,8% по массе, не более чем 9,5% по массе и не более чем 9,0% по массе. Согласно разнообразным примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание СаО составляет от 7,9% по массе до менее чем 9,0% по массе.The glass composition advantageously contains at least 7.0% by weight and not more than 12% by weight CaO. A CaO content of more than 12% by weight results in glass having a low elastic modulus. If the CaO content is less than 7% by weight, the liquidus temperature or viscosity will adversely increase depending on what the CaO oxide is replaced with. In some exemplary embodiments, the glass composition has a CaO content of at least 8.0% by weight, including at least 8.1% by weight and at least 8.2% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition has a CaO content of no more than 11.5% by weight, including no more than 10.0% by weight, no more than 9.8% by weight, no more than 9.5 % by weight and not more than 9.0% by weight. In various exemplary embodiments, the glass composition has a CaO content ranging from 7.9% by weight to less than 9.0% by weight.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления суммарное содержание SiO2, Al2O3, MgO и СаО составляет по меньшей мере 98% по массе или по меньшей мере 99% по массе и не более чем 99,5% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления суммарное содержание SiO2, Al2O3, MgO и СаО составляет от между 97,5% по массе до менее чем 99,5% по массе, в том числе от 98,0% по массе до менее чем 99,0% по массе и от 98,05% по массе до 98,8% по массе.In some exemplary embodiments, the total content of SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO and CaO is at least 98% by weight, or at least 99% by weight and no more than 99.5% by weight. In some exemplary embodiments, the total content of SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO and CaO is between 97.5% by weight and less than 99.5% by weight, including between 98.0% by weight and less than 99.0% by weight and 98.05% by weight to 98.8% by weight.
Стеклянная композиция может содержать Li2O в количестве, составляющем от 0 вплоть до около 2,0% по массе. В присутствии Li2O уменьшается температура волокнообразования стеклянной композиции, и увеличивается модуль упругости изготавливаемых их нее стеклянных волокон. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Li2O составляет от около 0,2% по массе до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,4% по массе до около 0,8% по массе и от около 0,5 до около 0,7% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Li2O составляет от более чем 0,45% по массе до менее чем 0,8% по массе.The glass composition may contain Li 2 O in an amount ranging from 0 to about 2.0% by weight. In the presence of Li 2 O, the fiberization temperature of the glass composition decreases and the elastic modulus of the glass fibers produced from it increases. In some exemplary embodiments, the glass composition has a Li2O content of from about 0.2% by weight to about 1.0% by weight, including from about 0.4% by weight to about 0.8% by weight and from about 0.5 to about 0.7% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition has a Li 2 O content of greater than 0.45% by weight to less than 0.8% by weight.
Стеклянная композиция может содержать вплоть до около 2,0% по массе TiO2. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание TiO2 составляет от около 0,05% по массе до около 1,5% по массе, в том числе от около 0,4% по массе до около 1,0% по массе и от около 0,5 до около 0,7% по массе.The glass composition may contain up to about 2.0% by weight TiO 2 . In some exemplary embodiments, the glass composition has a TiO 2 content of from about 0.05% by weight to about 1.5% by weight, including from about 0.4% by weight to about 1.0% by weight and from about 0.5 to about 0.7% by weight.
Стеклянная композиция может содержать вплоть до около 2,0% по массе Fe2O3. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Fe2O3 составляет от около 0,05% по массе до около 1,0% по массе, в том числе от около 0,2% по массе до около 0,8% по массе и от около 0,3 до около 0,6% по массе.The glass composition may contain up to about 2.0% by weight Fe 2 O3. In some exemplary embodiments, the glass composition has a Fe2O3 content of from about 0.05% by weight to about 1.0% by weight, including from about 0.2% by weight to about 0.8% by weight and from about 0.3 to about 0.6% by weight.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание оксидов щелочных металлов Na2O и K2O составляет менее чем 2,0% по массе, в том числе от 0 до 1,5% по массе. Стеклянная композиция может преимущественно содержать одновременно Na2O и K2O в количестве, составляющем более чем 0,01% по массе для каждого оксида. Согласно некоторым примернымIn some exemplary embodiments, the glass composition contains less than 2.0% by weight of alkali metal oxides Na 2 O and K2O, including 0 to 1.5% by weight. The glass composition may advantageously contain both Na 2 O and K 2 O in an amount of greater than 0.01% by weight for each oxide. According to some approximate
- 8 046187 вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание Na2O составляет от около 0 до около 1% по массе, в том числе от около 0,01 до около 0,5% по массе, от около 0,03 до около 0,3% по массе и от около 0,04 до около 0,1% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции содержание K2O составляет от около 0 до около 1% по массе, в том числе от около 0,01 до около 0,5% по массе, от около 0,03 до около 0,3% по массе и от около 0,04 до около 0,2% по массе.- 8 046187 embodiments in the glass composition the Na2O content is from about 0 to about 1% by weight, including from about 0.01 to about 0.5% by weight, from about 0.03 to about 0.3% by weight by weight and from about 0.04 to about 0.1% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition has a K2O content of from about 0 to about 1% by weight, including from about 0.01 to about 0.5% by weight, from about 0.03 to about 0.3% by weight by weight and from about 0.04 to about 0.2% by weight.
Необязательные добавки.Optional additives.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные композиции, из которых изготовлены стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками, могут дополнительно содержать примеси и/или следовые материалы, которые не производят неблагоприятное воздействие на стекла или волокна. Указанные примеси могут содержаться в стекле в виде примесей в составе исходных материалов, или они могут представлять собой продукты, образующиеся в результате химической реакции расплавленного стекла с компонентами печи. Неограничительные примеры следовых материалов представляют собой цинк, стронций, барий и их сочетания. Следовые материалы могут присутствовать в соответствующих оксидных формах и могут дополнительно содержать фтор и/или хлор. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные композиции согласно настоящему изобретению содержат каждый оксид из BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 и SO3 в количестве, составляющем менее чем 1,0% по массе, в том числе менее чем 0,5% по массе, менее чем 0,2% по массе и менее чем 0,1% по массе. В частности, стеклянная композиция может иметь суммарное содержание BaO, SrO, ZnO, ZrO2, Р2О5 и/или SO3 в количестве, составляющем менее чем около 5,0% по массе, причем каждый из оксидов BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 и SO3 в случае своего присутствия содержится в количестве, составляющем менее чем 1,0% по массе.In some exemplary embodiments, glass compositions from which high performance glass fibers are made may further contain impurities and/or trace materials that do not adversely affect the glasses or fibers. These impurities may be present in the glass as impurities in the starting materials, or they may be products formed by the chemical reaction of the molten glass with the furnace components. Non-limiting examples of trace materials include zinc, strontium, barium, and combinations thereof. Trace materials may be present in appropriate oxide forms and may additionally contain fluorine and/or chlorine. In some exemplary embodiments, the glass compositions of the present invention contain each oxide of BaO, SrO, ZnO, ZrO 2 , P 2 O 5 and SO 3 in an amount of less than 1.0% by weight, including less than 0. 5% by weight, less than 0.2% by weight and less than 0.1% by weight. In particular, the glass composition may have a total content of BaO, SrO, ZnO, ZrO 2 , P 2 O 5 and/or SO 3 in an amount of less than about 5.0% by weight, each of the oxides BaO, SrO, ZnO , ZrO 2 , P 2 O 5 and SO 3 when present are contained in an amount of less than 1.0% by weight.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные композиции, из которых изготовлены стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками содержат в суммарном количестве, составляющем менее чем 2,0 мас.%, следующие модифицирующие компоненты: СеО2, Li2O, Fe2O3, TiO2, WO3 и Bi2O3. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные композиции содержат менее чем 1,5 мас.% модифицирующих компонентов.In some exemplary embodiments, glass compositions from which high performance glass fibers are made contain, in a total amount of less than 2.0% by weight, the following modifiers: CeO 2 , Li 2 O, Fe 2 O 3 , TiO 2 , WO 3 and Bi 2 O 3 . In some exemplary embodiments, the glass compositions contain less than 1.5 wt.% modifying components.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стеклянные композиции, из которых изготовлены стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками содержат менее чем 1,0% по массе оксидов редкоземельных элементов: Y2O3, Ga2O3, Sm2O3, Nd2O3, La2O3, Се2О3 и Sc2O3 (R2O3), a также оксидов Ta2O5, Nb2O5 или V2O5 (R2O5), в том числе от 0 до 0,9% по массе или от 0 до 0,5% по массе. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления в стеклянной композиции отсутствуют оксиды редкоземельных элементов.In some exemplary embodiments, the glass compositions from which the high performance glass fibers are made contain less than 1.0% by weight of rare earth oxides: Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 and Sc 2 O 3 (R 2 O 3 ), as well as oxides Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 or V 2 O 5 (R 2 O 5 ), including from 0 up to 0.9% by weight or from 0 to 0.5% by weight. In some exemplary embodiments, the glass composition is free of rare earth oxides.
При упоминании в настоящем документе термины массовое процентное содержание, % по массе, мас.% и проценты по массе могут быть использованы взаимозаменяемым образом и означают массовое процентное содержание (или проценты по массе) по отношении к полной массе композиции.When used herein, the terms weight percentage, weight %, weight %, and weight percent may be used interchangeably and mean weight percentage (or weight percent) based on the total weight of the composition.
Смоляное связующее вещество.Resin binder.
Исходные стеклянные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками удерживаются друг с другом посредством смоляного связующего вещества (также называемого термином матричная смола), которое после отверждения, как описано ниже, фиксирует волокна по отношению друг к другу, и образуется композиционный материал с высоким модулем упругости. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления смоляное связующее вещество содержит одну или несколько из сложнополиэфирных (РЕ) смол, винилсложноэфирных (VE) смол, акриловых смол, уретановых смол и эпоксидных (ЕР) смол, которые представляют собой традиционно используемые матричные смолы или связующие вещества для образования полимерных композиционных материалов. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления смоляное связующее вещество содержит одну из винилсложноэфирной смолы и эпоксидной смолы. Поскольку композиционные материалы часто находят применение в качестве армирования в агрессивных или иных вызывающих коррозию средах, таких как прибрежная морская вода, выбор смолы, которая может сохраняться в такой среде, представляет собой важный фактор в проектировании.The original high performance glass fibers are held together by a resin binder (also referred to as matrix resin) which, when cured as described below, locks the fibers to each other to form a high modulus composite material. In some exemplary embodiments, the resin binder comprises one or more of polyester (PE) resins, vinyl ester (VE) resins, acrylic resins, urethane resins, and epoxy (EP) resins, which are conventionally used matrix resins or binders for forming polymers. composite materials. In some exemplary embodiments, the resin binder comprises one of a vinyl ester resin and an epoxy resin. Because composite materials often find use as reinforcement in corrosive or otherwise corrosive environments, such as coastal seawater, the selection of a resin that can survive in such environments is an important design factor.
Было обнаружено, что имеет большое значение надлежащая рецептура или модификация винилсложноэфирной смолы. Например, в небольших количествах добавки уретана или новолака или взаимопроникающая сетка акриловой или другой реакционноспособной мономерной модификации стирола может дополнительно повышать антикоррозионную стойкость. Высокая антикоррозионная стойкость может быть дополнительно повышена посредством удаления смолы с обогащенной смолой поверхностью стержня и/или нанесения гидратированного ингибитора, такого как акрилат, винилхлорид, октилсилан и/или силилированный полиазамид. Такие добавки взаимодействуют с бетоном, например, в качестве защиты для дополнительного повышения антикоррозионной стойкости композиционного материала и границы раздела с бетоном.It has been found that proper formulation or modification of the vinyl ester resin is of great importance. For example, small amounts of urethane or novolac additives or an interpenetrating network of acrylic or other reactive styrene monomer modification can further enhance corrosion resistance. High corrosion resistance can be further enhanced by removing the resin with a resin-enriched rod surface and/or applying a hydrated inhibitor such as acrylate, vinyl chloride, octylsilane and/or silylated polyazamide. Such additives interact with concrete, for example, as a protection to further improve the corrosion resistance of the composite material and the interface with concrete.
Кроме того, могут присутствовать и другие добавки, такие как, например, соли каприловой кислоты и N.N-диметилэтаноламина. морфолина или родственных аминов, которые представляют собой эффективные ингибиторы поверхностной коррозии, которые могут быть нанесены в качестве покрытия на арматурные стержни в целях создания на бетоне улучшенной связующей границы раздела. Кроме того,In addition, other additives may be present, such as, for example, salts of caprylic acid and N.N-dimethylethanolamine. morpholine or related amines, which are effective surface corrosion inhibitors that can be applied as a coating to reinforcing bars to create an improved cohesive interface on concrete. Besides,
- 9 046187 могут быть нанесены и другие мигрирующие вещества, которые проявляют свое действие в течение инициирования трещин в бетоне на границе раздела арматурных стержней в целях блокирования дальнейшей коррозии. Кроме того, определенные компоненты шлихты на границе раздела стеклянных волокон, такие как одно или несколько веществ из солей акриловой кислоты, тетрафторобората натрия или аммония, или сшивающие вещества, такие как пентаэритрит или итаконовая кислота, или сильные сшивающие вещества, такие как силан/силанол, например, октилсилан, образуют устойчивый пассивирующий слой или способны взаимодействовать с поликонденсированными силикатами на поверхности стекла в целях блокирования или ингибирования воды и поступления щелочи в модифицированный слой на границе раздела. Граница раздела между стеклом и модифицированным слоем является более эффективной, чем немодифицированное стекло в предотвращении поступления воды. На подвижность воды в немодифицированном и модифицированном стекле оказывают значительное влияние химические взаимодействия с твердой фазой. В условиях насыщения диоксида кремния перестроенный модифицированный слой достигает равновесия с растворами в объеме и порах, и скорость остаточной коррозии уменьшается в значительной степени вследствие ограничивающих транспорт эффектов вблизи поверхности стекла. Идеальные условия для устойчивого пассивирующего слоя, как правило, представляют собой температура, составляющая менее чем 90°С, значение рН в диапазоне от 7 до 9,5 и насыщенный диоксидом кремния раствор, что является оптимальным для гидратации бетона на границе раздела между связующим веществом и арматурным стержнем.- 9 046187 other migrating substances can be applied which exert their effect during the initiation of cracks in the concrete at the interface of the reinforcing bars in order to block further corrosion. In addition, certain components of the glass fiber interface dressing, such as one or more of acrylic acid salts, sodium or ammonium tetrafluoroborate, or crosslinking agents such as pentaerythritol or itaconic acid, or strong crosslinking agents such as silane/silanol, for example, octylsilane, form a stable passivation layer or are capable of reacting with polycondensed silicates on the glass surface to block or inhibit water and alkali entry into the modified layer at the interface. The interface between the glass and the modified layer is more effective than unmodified glass in preventing water ingress. The mobility of water in unmodified and modified glass is significantly influenced by chemical interactions with the solid phase. Under conditions of silica saturation, the rearranged modified layer reaches equilibrium with solutions in the bulk and pores, and the rate of residual corrosion decreases to a large extent due to transport-limiting effects near the glass surface. Ideal conditions for a stable passivation layer are generally a temperature of less than 90°C, a pH value between 7 and 9.5, and a silica-saturated solution, which is optimal for hydrating the concrete at the interface between the binder and reinforcing rod.
Дополнительные добавки могут представлять собой многофункциональные наполнители для разнообразных целей, такие как обеспечение привлекательного цвета и внешнего вида поверхности, улучшение характеристик адгезии/когезии для прочности и жесткости, уменьшение усадки, устойчивость к ультрафиолетовому излучению, антикоррозионная стойкость и однородность консолидации с соответствующими допусками деталей. Примерные наполнители могут представлять собой технический углерод, черный пигмент на основе оксидов железа, тригидроксид алюминия, карбонат кальция, соли металлов и жирных кислот, в том числе стеараты цинка и кальция, а также глина, такая как каолиновая глина. Конкретные физические и функциональные свойства наполнителя, а также количество наполнителя в изделии из композиционного материала можно регулировать для достижения желательной характеристики или функциональной цели.Additional additives can be multifunctional fillers for a variety of purposes, such as providing attractive surface color and appearance, improving adhesion/cohesion characteristics for strength and stiffness, shrinkage reduction, ultraviolet resistance, corrosion resistance, and consolidation uniformity with appropriate part tolerances. Exemplary fillers may include carbon black, black iron oxide pigment, aluminum trihydroxide, calcium carbonate, metal salts of fatty acids, including zinc and calcium stearates, and clay such as kaolin clay. The specific physical and functional properties of the filler, as well as the amount of filler in the composite material product, can be adjusted to achieve a desired characteristic or functional purpose.
Изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости может содержать наполнитель в количестве, составляющем от около 0 до 20 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции, в том числе от около 3 до около 16 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции, от около 5 до около 13 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции и от около 6 до около 10 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости содержит наполнитель в количестве, составляющем от 10 до 16 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции.The high modulus composite material product may contain filler in an amount ranging from about 0 to 20 parts by weight. per 100 parts by weight compositions, including from about 3 to about 16 parts by weight. per 100 parts by weight composition, from about 5 to about 13 parts by weight. per 100 parts by weight composition and from about 6 to about 10 parts by weight. per 100 parts by weight compositions. In some exemplary embodiments, the high modulus composite material article contains filler in an amount ranging from 10 to 16 parts by weight. per 100 parts by weight compositions.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления содержание наполнителя на основе глины в количестве, составляющем около 5-10 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции, в изделии из винилсложноэфирного композиционного материала с высоким модулем упругости и содержанием стекла, составляющим 71% по объему, обеспечивает повышенную однородность консолидации и уменьшение усадки при одновременном сохранении прочности при растяжении, измеряемой согласно стандарту ASTMD7205 и составляющей более чем 1000 МПа и в некоторых случаях более чем 1200 МПа.According to some exemplary embodiments, the implementation contains a clay-based filler in an amount of about 5-10 parts by weight. per 100 parts by weight composition, in a high modulus vinyl ester composite product with 71% glass content by volume, provides increased consolidation uniformity and reduced shrinkage while maintaining ASTMD7205 tensile strength greater than 1000 MPa and in some cases more than 1200 MPa.
Способ пултрузии.Pultrusion method.
Композиционный материал с высоким модулем упругости согласно настоящему изобретению изготавливают, используя способ пултрузии. Способ пултрузии осуществляют с применением пултрузионной линии, системы и. т.д. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления способ пултрузии используют, чтобы изготавливать арматурный стержень из композиционного материала. Как представлено на фиг. 1А и 1B, пултрузионную линию 400 согласно примерному варианту осуществления может быть использована, чтобы изготавливать арматурный стержень 490 из композиционного материала. Пултрузионную линию 400 составляют питающий модуль 410, полимерная ванна 420, необязательное поточное намоточное устройство 430, одно или несколько предварительных формовочных приспособлений 440, один или несколько мундштуков 450, управляющая станция 460, вытягивающая секция 470 и режущая секция 480. Как подробно описано ниже, также может присутствовать станция поверхностной обработки (не проиллюстрированная). Поверхность обработка может происходить до и/или после разрезания изготовленных пултрузией стержней в режущей секции 480.The high modulus composite material of the present invention is manufactured using a pultrusion process. The pultrusion method is carried out using a pultrusion line, system, etc. etc. In some exemplary embodiments, a pultrusion process is used to produce composite reinforcing bar. As shown in FIG. 1A and 1B, a pultrusion line 400 according to an exemplary embodiment may be used to produce composite reinforcing bar 490. The pultrusion line 400 is comprised of a feed module 410, a resin bath 420, an optional in-line winder 430, one or more preformers 440, one or more die dies 450, a control station 460, a drawing section 470, and a cutting section 480. As described in detail below, also a surface treatment station may be present (not illustrated). Surface treatment may occur before and/or after cutting the pultruded rods in cutting section 480.
Пултрузионная линия 400 обеспечивает, что исходный материал (например, стеклянное волокно) и его соответствующая обработка тщательно регулируются в отношении содержания волокна, состава смолы, пропитывания смолой, структуры волокна, выравнивания посредством предварительного формовочного приспособления, высушивания и нагревания, смачивания, пропитывания, консолидации и отверждения с получением непрерывного стержня.The pultrusion line 400 ensures that the starting material (e.g., glass fiber) and its corresponding processing are carefully controlled with respect to fiber content, resin composition, resin impregnation, fiber structure, alignment by preforming fixture, drying and heating, wetting, impregnation, consolidation and curing to produce a continuous rod.
Питающий модуль 410 направляет в процесс пултрузии исходный материал, например, собранные ровинги 402 из стеклянных волокон 404, например, ровинги Туре 30®, которые поставляет компания Owens Coming (Толедо, штат Огайо, США), находящиеся на катушечной раме 406 или аналогичном устFeed module 410 feeds feed material into the pultrusion process, such as assembled rovings 402 from glass fibers 404, such as Type 30® rovings available from Owens Coming (Toledo, Ohio, USA), on a spool frame 406 or similar.
- 10 046187 ройстве. Ровинги 402 могут представлять собой одноволоконные ровинги и/или многоволоконные ровинги.- 10 046187 swarm. The rovings 402 may be single-filament rovings and/or multi-filament rovings.
Согласно одному примерному варианту осуществления в питающем модуле 410, как представлено на фиг. 1А и 1В, используются многоволоконные ровинги 402 в зависимости от желательного диаметра стержня. Конец каждого ровинга 402 поступает в полимерную ванну 420 в направлении пултрузии, которое обозначено стрелкой 408.According to one exemplary embodiment, in power module 410, as shown in FIG. 1A and 1B, multifilament rovings 402 are used depending on the desired core diameter. The end of each roving 402 enters the polymer bath 420 in the pultrusion direction, which is indicated by arrow 408.
Согласно этому варианту осуществления волокна 404 поступают через клетка 412 или другая конструкция, таким образом, что волокна 404 зацепляют находящиеся в ней балки 414. Балки 414 придают первоначальное натяжение волокнам 404 в процессе их пропускания через клетку 412. Кроме того, клетка 412 своим действием инициирует расположение концов волокон 404 и приближает их друг к другу перед пропусканием концов через направляющее приспособление 416.In this embodiment, the fibers 404 are fed through a cage 412 or other structure such that the fibers 404 engage the beams 414 contained therein. The beams 414 impart an initial tension to the fibers 404 as they pass through the cage 412. In addition, the cage 412, by its action, initiates positioning the ends of the fibers 404 and bringing them closer together before passing the ends through the guide 416.
Направляющее приспособление 416 содержит множество отверстий. Конец каждого из волокон 404 пропускается через одно из отверстий в направляющем приспособлении 416. В результате этого волокна 404 располагаются ближе друг к другу и становятся параллельными по отношению друг к другу, когда волокна 404 вытягиваются в технологическом направлении 408. Таким образом, когда волокна 404 выходят из направляющего приспособления 416, они начинают образовывать шнуроподобный элемент 418 (далее называется термином шнур).The guide 416 includes a plurality of holes. The end of each of the fibers 404 is passed through one of the holes in the guide 416. As a result, the fibers 404 are positioned closer together and become parallel to each other as the fibers 404 are pulled in the processing direction 408. Thus, when the fibers 404 exit from the guide 416, they begin to form a cord-like element 418 (hereinafter referred to as a cord).
Шнур 418 затем пропускают через полимерную ванну 420, таким образом, что смола в полимерной ванне 420 окружает шнур 418 и проникает в пространства между волокнами 404, которые образуют шнур 418. Шнур 418 выходит из полимерной ванны 420 в виде пропитанного шнура 422.The cord 418 is then passed through the polymer bath 420 such that the resin in the polymer bath 420 surrounds the cord 418 and penetrates the spaces between the fibers 404 that form the cord 418. The cord 418 exits the polymer bath 420 as an impregnated cord 422.
Полимерная ванна 420 содержит винилсложнэфирную или модифицированную термореактивную смолу, у которой удлинение при разрыве составляет более чем 4%. Важно, что смола проявляет небольшую усадку при отверждении, которая составляет, например, 3-7% в зависимости от состава, без значительных остаточных напряжений, в результате которых могут образовываться пустоты, микротрещины или расщепления, вызывая преждевременное разрушение под воздействием окружающей среды или проблемы долговечности. Согласно одному примерному варианту осуществления смола композиция представляет собой модифицированную смолу на основе винилсложноэфирной матричной смолы Ashland 1398, которую поставляет компания Ashland, Inc. (Ковингтон, штат Кентукки, США), или Interplastic 692 или 433, которую поставляет компания Interplastic Corporation (Сент-Пол, штат Миннесота, США), в которой плотность сшивания определяется соотношением добавленного стирольного мономера для свободнорадикального автокаталитического отверждения и достижения температуры стеклования Tg в пределах диапазона от 100°С до 130°С. Акриловый, новолачный или дициклопентадиеновый (DCPD) мономер, который замещает часть (например, от 10% до 30%) стирола, может улучшать жесткость и влагостойкость, а также обеспечивать выполнение стандартов в отношении огня, дыма и токсичности (FST). Выбор смолы для конструкции должен обеспечивать баланс стоимости и влияния на значение Tg, модуль упругости и предотвращение образования трещин/микротрещин в стержне, у которого поперечное сечение составляет более чем 0,8 мм, при чрезмерно высокой скорости отверждения._________Resin bath 420 contains a vinyl ester or modified thermoset resin that has an elongation at break of greater than 4%. Importantly, the resin exhibits low cure shrinkage, e.g. 3-7% depending on formulation, without significant residual stresses that could result in voids, microcracks or splitting, causing premature environmental failure or durability problems . In one exemplary embodiment, the resin composition is a modified Ashland 1398 vinyl ester matrix resin available from Ashland, Inc. (Covington, KY, USA), or Interplastic 692 or 433, which is supplied by Interplastic Corporation (St. Paul, MN, USA), in which the crosslink density is determined by the ratio of added styrene monomer for free radical autocatalytic curing and achieving the glass transition temperature Tg at within the range from 100°C to 130°C. An acrylic, novolac, or dicyclopentadiene (DCPD) monomer that replaces a portion (e.g., 10% to 30%) of styrene can improve stiffness and moisture resistance, as well as meet fire, smoke, and toxicity (FST) standards. The choice of resin for the structure must balance cost with the impact on Tg value, modulus of elasticity and the prevention of cracking/microcracks in a bar that has a cross-section greater than 0.8 mm at excessively high curing rates._________
Как отмечено выше, стеклянные волокна 404 из питающего модуля 410 проходят через полимерную ванну 420 таким образом, что стеклянные волокна 404 покрываются смолой (т.е. смачиваются), и пространства между прилегающими волокнами заполняются достаточным количеством смолы (т.е. происходит сквозное смачивание или пропитывание). Более конкретно, на пултрузионной линии 400 используется многоступенчатое предварительное формование, в результате которого стеклянные волокна 404 ориентируются в вертикальном и горизонтальном направлениях для расположения в одном или нескольких предварительных формовочных приспособлениях 440 после того, как они проходят через полимерную ванну 420. В результате этого на каждой отдельной ступени пултрузионной линии 400 соответствующие волоконные пучки консолидируются и приобретают содержания стекла, составляющее 70% или более, 80% или более или 83% или более по массе, или 68% или более по объему когда волокна 404 проходят через один или несколько мундштуков 450.As noted above, glass fibers 404 from feed module 410 pass through resin bath 420 such that glass fibers 404 are coated with resin (i.e., wetted) and the spaces between adjacent fibers are filled with a sufficient amount of resin (i.e., through-wetting occurs). or soaking). More specifically, the pultrusion line 400 uses a multi-stage preforming process that orients glass fibers 404 in vertical and horizontal directions to be positioned in one or more preformers 440 after they pass through the resin bath 420. As a result, each Each stage of the pultrusion line 400, the corresponding fiber bundles are consolidated and acquire a glass content of 70% or more, 80% or more, or 83% or more by weight, or 68% or more by volume as the fibers 404 pass through one or more die dies 450.
Одно или несколько предварительных формовочных приспособлений 440 способствуют располоOne or more preformers 440 help position
- 11 046187 жению и выравниванию исходного материала, содержащего смолу. Кроме того, одно или несколько предварительных формовочных приспособлений 440 способствуют совместной упаковке волокон таким способом, который предотвращает связывание, переплетение и другие нежелательные проблемы в отношении исходного материала.- 11 046187 bending and leveling of the starting material containing resin. In addition, one or more preformers 440 assist in copacking the fibers in a manner that prevents bundling, weaving, and other undesirable problems with the starting material.
Использование многоступенчатого предварительного формования также обеспечивает селективное расположение волокон различных типов (например, стеклянных и углеродных волокон, сочетаний стеклянных волокон различных типов, сочетаний волокон различных диаметров), в результате чего образуется гибридный стержень, имеющий повышенный модуль упругости или другие характеристики. Использование волокон различных диаметров в исходном материале также может упрощать достижение повышенного содержания исходного материала.The use of multi-stage preforming also allows for the selective arrangement of different types of fibers (e.g., glass and carbon fibers, combinations of different types of glass fibers, combinations of different diameter fibers), resulting in a hybrid rod having increased elastic modulus or other characteristics. The use of different fiber diameters in the starting material may also make it easier to achieve higher starting material content.
Поточное намоточное устройство 430, содержащее, например, один или несколько приводимых в движение роликов, может быть использовано на пултрузионной линии 400 в качестве регулирующего натяжение приспособления. Намоточное устройство 430 может быть использовано, например, если требуется более значительное вытягивающее усилие на ранней стадии способа пултрузии (например, для протягивания стеклянных волокон 404 через полимерную ванну 420). Кроме того, способность регулирования натяжения стеклянных волокон 404 может упрощать консолидацию/упаковку стеклянных волокон 404 перед их поступлением в одно или несколько предварительных формовочных приспособлений 440.An in-line winder 430, including, for example, one or more driven rollers, may be used on the pultrusion line 400 as a tension control device. Winder 430 may be used, for example, if greater drawing force is required early in the pultrusion process (eg, to draw glass fibers 404 through resin bath 420). In addition, the ability to control the tension of the glass fibers 404 may facilitate consolidation/packaging of the glass fibers 404 before they enter one or more preformers 440.
Пултрузионная линия 400 осуществляет предварительное формование, предварительное нагревание и предварительное смачивание непрерывного коллимированного ровинга для консолидации содержания стекла, составляющего более чем 85% по массе, с высокой степенью выравнивания, представляющего собой отклонение от однородной ориентации в пределах поперечного сечения, составляющее менее чем 5 градусов.The pultrusion line 400 preforms, preheats, and prewets a continuous collimated roving to consolidate a glass content of greater than 85% by weight with a high degree of alignment representing less than 5 degrees of deviation from uniform orientation within a cross section.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления один или несколько стрипперных мундштуков 450 используют перед одним или несколькими пултрузионными мундштуками 452. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления один или несколько стрипперных мундштуков 450 и один или несколько пултрузионных мундштуков 452 представляют собой один и тот же набор мундштуков. Когда используют множество стрипперных мундштуков 450, отверстие в каждом стрипперном мундштуке 450, как правило, является меньше, чем отверстие в предшествующем стрипперным мундштуке 450. Стрипперные мундштуки 450 удаляют избыточную смолу с пропитанных волокон и дополнительно консолидируют волокна 404 в процессе формования стержня 454.In some exemplary embodiments, one or more stripper dies 450 are used before one or more pultruded dies 452. In some exemplary embodiments, one or more stripper dies 450 and one or more pultruded dies 452 are the same set of dies. When multiple stripper dies 450 are used, the hole in each stripper die 450 is typically smaller than the hole in the preceding stripper die 450. The stripper dies 450 remove excess resin from the impregnated fibers and further consolidate the fibers 404 during the molding process of the core 454.
Предварительное нагревание стекла удаляет остаточную влагу и обеспечивает снижение вязкости смолы на поверхности стекла, что улучшает смачивание и пропитывание. Может быть использовано любое подходящее приспособление для обеспечения нагревания стекла. Такое предварительное нагревание может происходить во множестве точек на протяжении пултрузионной линии 400.Preheating the glass removes residual moisture and reduces the viscosity of the resin on the glass surface, which improves wetting and penetration. Any suitable device for providing heating to the glass may be used. Such preheating may occur at multiple points along the pultrusion line 400.
Предварительное смачивание стеклянных волокон упрощается посредством прямого нагревания смолы или иного регулирования вязкости смолы в полимерной ванне 420 для выдерживания или помещения в заданное положение в предварительном формовочном приспособлении 440 в целях обеспечения лучшего смачивание смолы для более плотной консолидации посредством удерживания и/или натяжения перед гелеобразованием винилсложноэфирной смола. В качестве альтернативы, нагревание может быть осуществлено как косвенное (например, радиочастотное) нагревание, что может обеспечивать более равномерное нагревание изнутри наружу. Различные сочетания линейной плотности и диаметра стеклянных волокон могут быть использованы для дополнительного улучшения однородности стеклянной упаковки, в результате чего обеспечивается увеличение объема стеклянных волокон.Prewetting of glass fibers is facilitated by directly heating the resin or otherwise adjusting the viscosity of the resin in the resin bath 420 to hold or position it in the preformer 440 to provide better wetting of the resin for tighter consolidation by holding and/or tensioning before gelling the vinyl ester resin . Alternatively, heating may be provided as indirect (eg, radio frequency) heating, which may provide more uniform heating from the inside out. Various combinations of linear density and diameter of glass fibers can be used to further improve the uniformity of glass packaging, resulting in increased volume of glass fibers.
После поступления в один или несколько мундштуков 450, 452, что представляет собой конечную точку консолидации, под действием тепла от одного или нескольких мундштуков 450 и/или 452 происходит сшивание термореактивной смолы, в результате чего выделяется тепло внутри консолидированных волокон 422, и образуется стержнеподобный элемент 454 (далее называется термином стержень). Согласно некоторым примерным вариантам осуществления спиральная обмотка (например, из стеклянного волокна) наносится на стержень 454 для обеспечения консолидации и размещения волокон 404 на стержне.After entering one or more dieheads 450, 452, which represents the consolidation end point, heat from one or more dieheads 450 and/or 452 cross-links the thermoset resin, thereby generating heat within the consolidated fibers 422 to form a rod-like element. 454 (hereinafter called the term rod). In some exemplary embodiments, a helical wrap (eg, glass fiber) is applied to the rod 454 to provide consolidation and placement of the fibers 404 on the rod.
На пултрузионной линии 400 часто присутствует управляющая станция 460, которая представляет собой часть пултрузионной линии 400 или располагается вблизи нее (например, на площадке). Управляющая станция 460, которая может представлять собой распределенную систему управления (DCS), обеспечивает компьютеризованное и/или ручное управление и содержание пултрузионной линии 400, а также соответствующие технологические параметры и условия.The pultrusion line 400 often includes a control station 460 that is part of or located adjacent to the pultrusion line 400 (eg, on site). A control station 460, which may be a distributed control system (DCS), provides computerized and/or manual control and maintenance of the pultrusion line 400, as well as associated process parameters and conditions.
Стержень 454 выходит из одного или нескольких пултрузионных мундштуков 452 и продвигается в направлении вытягивающей секции 470. Стержень 454 охлаждается, когда он достигает вытягивающей секции 470, таким образом, что он не деформируется в точках контакта с вытягивающим устройством. Вытягивающая секция 470 способствует созданию вытягивающего усилия, которое необходимо в процессе пултрузии, т.е. поддерживает необходимое натяжение стержня 454 в процессе его изготовления.A rod 454 exits one or more pultruded dies 452 and advances toward a drawing section 470. The rod 454 is cooled as it reaches the drawing section 470 such that it does not deform at points of contact with the drawing device. The pulling section 470 helps create the pulling force that is needed in the pultrusion process, i.e. maintains the required tension on the rod 454 during its manufacture.
Наконец, стержень 454 поступает в режущую секцию 480, в которой его разделяют на отрезки и направляют на последующую технологическую операцию, такую как операция поверхностной обработки. Стержень 454 может быть разделен на отрезки любой подходящей длины, причем эту длину часто опреFinally, the rod 454 enters a cutting section 480 where it is cut into sections and sent to a subsequent processing step, such as a surface finishing operation. The rod 454 can be cut into any suitable length, which length is often determined
- 12 046187 деляет заданное применение. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стержень 454 разделяют на отрезки длиной от 10 футов до 75 футов. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления стержень 454 разделяют на отрезки длиной от 20 футов до 60 футов. После разрезания с применением или без применения какой-либо дополнительной обработки стержень 454 представляет собой арматурный стержень 490 из композиционного материала.- 12 046187 divides the specified application. In some exemplary embodiments, the rod 454 is divided into lengths ranging from 10 feet to 75 feet. In some exemplary embodiments, the rod 454 is divided into lengths ranging from 20 feet to 60 feet. After cutting, with or without any additional processing, the bar 454 is a composite reinforcing bar 490.
Таким образом, пултрузионная линия 400 осуществляет предварительное формование, предварительное нагревание и предварительное смачивание непрерывного коллимированного ровинга для консолидации содержания стекла, составляющего более чем 85% по массе, с высокой степенью выравнивания, представляющего собой отклонение от однородной ориентации в пределах поперечного сечения, составляющее менее чем 5 градусов, а также использует стеклянное волокно с высокими эксплуатационными характеристиками для получения композиционного материала с высоким модулем упругости, причем этот высокий модуль упругости составляет по меньшей мере 60 ГПа.Thus, the pultrusion line 400 preforms, preheats, and prewets a continuous collimated roving to consolidate a glass content of greater than 85% by weight with a high degree of alignment, representing a deviation from uniform orientation within a cross section of less than 5 degrees and also uses high performance glass fiber to produce a high modulus composite material, the high modulus being at least 60 GPa.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления по меньшей мере в части поперечное сечение стержень может быть полым, или сердцевина может быть пористой, а не сплошной, например, посредством использования мундштуков подходящих конструкций и/или конфигураций или других технологий обработки.In some exemplary embodiments, at least part of the cross-section of the rod may be hollow, or the core may be porous rather than solid, for example, through the use of suitable die designs and/or configurations or other processing techniques.
Изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости.A product made of a composite material with a high modulus of elasticity.
Могут быть изготовлены композиционные материалы с высоким модулем упругости, содержащие армирующие волокна при различных значениях массового содержания волокон (FWF). Хотя значение FWF может варьироваться и составлять от более чем 1% до около 90%, согласно определенным примерным вариантам осуществления значение FWF составляет по меньшей мере 70%, в том числе по меньшей мере 72%, по меньшей мере 75%, по меньшей мере 77%, и по меньшей мере 80%. Согласно любому из примерных вариантов осуществления композиционный материал с высоким модулем упругости может иметь значение FWF, составляющее от 75% до 90%, в том числе от 77% до 88% и от 80% до 86%.High modulus composites can be manufactured containing reinforcing fibers at different fiber weight content (FWF). Although the FWF value may vary from greater than 1% to about 90%, in certain exemplary embodiments the FWF value is at least 70%, including at least 72%, at least 75%, at least 77 %, and at least 80%. In any of the exemplary embodiments, the high modulus composite material may have an FWF value of 75% to 90%, including 77% to 88% and 80% to 86%.
Композиционные материалы с высоким модулем упругости, которые изготовлены в соответствии с концепциями настоящего изобретения, проявляют улучшенные физические свойства и антикоррозионную стойкость по сравнению с армированными композиционными материалами, которые изготовлены с использованием традиционных стеклянных волокон типа ECR. Как упомянуто выше, изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости проявляет повышенный модуль упругости, составляющий по меньшей мере 60 ГПа, в том числе по меньшей мере 64 ГПа, по меньшей мере 65 ГПа, по меньшей мере 66 ГПа и по меньшей мере 68 ГПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления изделие из композиционного материала с высоким модулем упругости проявляет модуль упругости, составляющий 60 ГПа до 75 ГПа, в том числе от 64 ГПа до 73 ГПа и от 65 ГПа до 70 ГПа. Модуль упругости изделия из композиционного материала измеряют в соответствии со стандартом ASTM D7205.High modulus composite materials that are made in accordance with the concepts of the present invention exhibit improved physical properties and corrosion resistance compared to reinforced composite materials that are made using traditional ECR glass fibers. As mentioned above, the high modulus composite material exhibits an increased elastic modulus of at least 60 GPa, including at least 64 GPa, at least 65 GPa, at least 66 GPa, and at least 68 GPa . In some exemplary embodiments, the high modulus composite material exhibits a modulus of 60 GPa to 75 GPa, including 64 GPa to 73 GPa and 65 GPa to 70 GPa. The elastic modulus of a composite material product is measured in accordance with ASTM D7205.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления композиционные материалы с высоким модулем упругости, которые изготовлены в соответствии с концепциями настоящего изобретения, проявляют модуль упругости при изгибе, составляющий по меньшей мере 50 ГПа, в том числе по меньшей мере 52 ГПа, по меньшей мере 55 ГПа и по меньшей мере 56 ГПа. Композиционные материалы с высоким модулем упругости, которые изготовлены в соответствии с концепциями настоящего изобретения, проявляют повышенный прочность при изгибе, составляющий по меньшей мере 1220 МПа, в том числе по меньшей мере 1250 МПа, по меньшей мере 1285 МПа, по меньшей мере 1300 МПа, по меньшей мере 1350 МПа, по меньшей мере 1400 МПа, по меньшей мере 1450 МПа, по меньшей мере 1500 МПа и по меньшей мере 1550 МПа. Как модуль упругости при изгибе, так и прочность при изгибе измеряют в соответствии со стандартом ASTM D790.In some exemplary embodiments, high modulus composite materials that are manufactured in accordance with the concepts of the present invention exhibit a flexural modulus of at least 50 GPa, including at least 52 GPa, at least 55 GPa, and at least 56 GPa. High modulus composite materials that are manufactured in accordance with the concepts of the present invention exhibit increased flexural strength of at least 1220 MPa, including at least 1250 MPa, at least 1285 MPa, at least 1300 MPa, at least 1350 MPa, at least 1400 MPa, at least 1450 MPa, at least 1500 MPa and at least 1550 MPa. Both flexural modulus and flexural strength are measured according to ASTM D790.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления композиционные материалы с высоким модулем упругости, которые изготовлены в соответствии с концепциями настоящего изобретения, проявляют модуль упругости при растяжении, составляющий по меньшей мере 50 ГПа, в том числе по меньшей мере 62 ГПа, по меньшей мере 65 ГПа, по меньшей мере 67 ГПа и по меньшей мере 70 ГПа. Согласно некоторым примерным вариантам осуществления композиционные материалы с высоким модулем упругости проявляют модуль упругости при растяжении, составляющий от около 60 до около 75 ГПа. Модуль упругости при растяжении изделия из композиционного материала измеряют в соответствии со стандартом ASTM D7205.In some exemplary embodiments, high modulus composite materials that are made in accordance with the concepts of the present invention exhibit a tensile modulus of at least 50 GPa, including at least 62 GPa, at least 65 GPa, at least 67 GPa and at least 70 GPa. In some exemplary embodiments, high modulus composite materials exhibit a tensile modulus of about 60 to about 75 GPa. The tensile modulus of a composite product is measured in accordance with ASTM D7205.
Согласно некоторым примерным вариантам осуществления композиционные материалы с высоким модулем упругости, которые изготовлены в соответствии с концепциями настоящего изобретения, проявляют высокую антикоррозионную стойкость, которая увеличивает продолжительность эксплуатации изделия из композиционного материала.In some exemplary embodiments, high modulus composite materials that are manufactured in accordance with the concepts of the present invention exhibit excellent corrosion resistance, which increases the service life of the composite material product.
ПримерыExamples
Следует понимать, что объем общих концепций настоящего изобретения не ограничивается конкретными примерными вариантами осуществления, которые представлены и описаны в настоящем документе. На основании данного раскрытия специалисты в данной области техники смогут не только понять общие концепции настоящего изобретения и присущие им преимущества, но также обнаружить очевидные разнообразные изменения и модификации описанных способов и систем. Таким образом, наIt should be understood that the scope of the general concepts of the present invention is not limited to the specific exemplary embodiments that are presented and described herein. Based on this disclosure, those skilled in the art will not only be able to understand the general concepts of the present invention and the inherent advantages thereof, but will also recognize various changes and modifications to the described methods and systems as will be apparent. Thus, on
- 13 046187 стоящее описание предназначено для распространения на все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах идеи и объема общих концепций настоящего изобретения, которые описаны и заявлены в настоящем документе, а также на любые соответствующие эквиваленты.- 13046187 The present description is intended to cover all such changes and modifications that fall within the spirit and scope of the general concepts of the present invention as described and claimed herein, as well as any corresponding equivalents.
Пример 1.Example 1.
Были получены примерные армированные волокнами и изготовленные пултрузией арматурные стержневые изделия, содержащие волоконное армирование, с различными значениями массового содержания волокон (FWF). Были изготовлены образцы, содержащие стекло с высокими эксплуатационными характеристиками, имеющее модуль упругости, составляющий 89,5 ГПа (стекло типа HP), и образцы, содержащие традиционное стекло типа E-CR, имеющее модуль упругости, составляющий 82 ГПа. На фиг. 2 проиллюстрированы модули упругости образцов арматурных стержней при переменных уровнях содержания волокон. Как проиллюстрировано на данной фигуре, для образцов арматурных стержней, которые содержали стекло типа HP были достигнуты более высокие значения модуля упругости, чем для образцов, содержащих стекло типа Е-CR, при одинаковых уровнях содержания стекла. Например, для содержащего стекло типа E-CR армированного арматурного стержня при массовом содержании волокон, составляющим 0,843, был достигнут модуль упругости, составляющий 64,6 ГПа согласно стандарту ASTM-D7205 (арматурный стержень #6, имеющий площадь поперечного сечения 283,9 мм2), в то время как для содержащего стекло типа HP армированного арматурного стержня был достигнут модуль упругости, составляющий 70,4 ГПа, при содержании волокон на таком же уровне.Exemplary fiber-reinforced and pultruded reinforcing bars containing fiber reinforcement were produced with varying fiber weight content (FWF). Samples containing high performance glass having a modulus of 89.5 GPa (HP glass) and samples containing conventional E-CR glass having a modulus of 82 GPa were prepared. In fig. Figure 2 illustrates the elastic moduli of reinforcing bar samples at varying levels of fiber content. As illustrated in this figure, reinforcing bar samples that contained HP glass achieved higher modulus values than samples containing E-CR glass at the same glass content levels. For example, an E-CR glass-containing reinforced bar with a fiber mass content of 0.843 achieved an elastic modulus of 64.6 GPa according to ASTM-D7205 (#6 rebar having a cross-sectional area of 283.9 mm 2 ), while an elastic modulus of 70.4 GPa was achieved for HP glass-containing reinforced bars with fiber content at the same level.
Пример 2.Example 2.
Были получены примерные армированные волокнами изготовленные пултрузией плоские пластины, содержащие: (1) стеклянные волокна типа HP и (2) традиционные стеклянные волокна типа E-CR. Изготовленные пултрузией плоские пластины содержали однонаправленные волокна, содержание (значение FWF) которых находилось на уровне 80%. В исследованиях были использованы две различные смолы: сложнополиэфирная и полиуретановая. Изготовленные пултрузией изделия затем были исследованы в отношении эксплуатационных характеристик и свойств, включая модуль упругости при изгибе и прочность при изгибе, в соответствии со стандартом ASTM-D790; модуль упругости при растяжении в соответствии со стандартом ASTM D7205 и прочность при межслойном сдвиге (LLSS) в соответствии со стандартом ASTM D2344. Результаты этих исследований проиллюстрированы на фиг. 3-6.Exemplary fiber-reinforced pultruded flat plates were prepared containing: (1) HP type glass fibers and (2) conventional E-CR type glass fibers. The pultruded flat plates contained unidirectional fibers whose content (FWF value) was 80%. Two different resins were used in the studies: polyester and polyurethane. The pultruded products were then examined for performance characteristics and properties, including flexural modulus and flexural strength, in accordance with ASTM-D790; tensile modulus in accordance with ASTM D7205 and interlaminar shear strength (LLSS) in accordance with ASTM D2344. The results of these studies are illustrated in Fig. 3-6.
На фиг. 3А и 3В проиллюстрирован модуль упругости при изгибе изготовленных пултрузией плоских пластин, содержащих однонаправленные волокна типа E-CR, по сравнению с изготовленными пултрузией плоскими пластинами, содержащими волокна типа HP, как для ненасыщенной сложнополиэфирной смолы, так и для полиуретановой смолы. Как проиллюстрировано на этих фигурах, пластины, армированные волокнами типа HP, демонстрируют увеличение модуля упругости при изгибе, составляющее 14% в случае сложнополиэфирной смолы и 10% в случае полиуретановой смолы, по сравнению с пластинами, армированными волокнами типа Е-CR. Для примерных пластин, армированных волокнами типа HP, был достигнут модуль упругости при изгибе, составляющий 56 ГПа в случае ненасыщенной сложнополиэфирной смолы и 59 ГПа в случае полиуретановой смолы.In fig. 3A and 3B illustrate the flexural modulus of pultruded flat plates containing unidirectional E-CR fibers compared to pultruded flat plates containing HP fibers for both the unsaturated polyester resin and the polyurethane resin. As illustrated in these figures, plates reinforced with HP fibers exhibit an increase in flexural modulus of 14% for polyester resin and 10% for polyurethane resin compared to plates reinforced with E-CR fibers. For exemplary HP fiber reinforced plates, a flexural modulus of 56 GPa for the unsaturated polyester resin and 59 GPa for the polyurethane resin was achieved.
На фиг. 4А и 4В проиллюстрирована прочность при изгибе изготовленных пултрузией плоских пластин, содержащих однонаправленные волокна типа E-CR, по сравнению с изготовленными пултрузией плоскими пластинами, содержащими волокна типа HP, как для ненасыщенной сложнополиэфирной смолы, так и для полиуретановой смолы. Как проиллюстрировано на этих фигурах, пластины, армированные волокнами типа HP, демонстрируют увеличении прочность при изгибе, составляющее 8% в случае сложнополиэфирной смолы и 4% в случае полиуретановой смолы, по сравнению с пластинами, армированными волокнами типа E-CR. Для примерных пластин, армированных волокнами типа HP, была достигнута прочность при изгибе, составляющая 1296 МПа в случае ненасыщенной сложнополиэфирной смолы и 1572 МПа в случае полиуретановой смолы.In fig. 4A and 4B illustrate the flexural strength of pultruded flat plates containing unidirectional E-CR fibers compared to pultruded flat plates containing HP fibers for both the unsaturated polyester resin and the polyurethane resin. As illustrated in these figures, plates reinforced with HP fibers exhibit an increase in flexural strength of 8% for polyester resin and 4% for polyurethane resin compared to plates reinforced with E-CR fibers. For exemplary HP fiber reinforced plates, a flexural strength of 1296 MPa for the unsaturated polyester resin and 1572 MPa for the polyurethane resin was achieved.
На фиг. 5А и 5В проиллюстрирован модуль упругости при растяжении изготовленных пултрузией плоских пластин, содержащих однонаправленные волокна типа E-CR, по сравнению с изготовленными пултрузией плоскими пластинами, содержащими волокна типа HP, как для ненасыщенной сложнополиэфирной смолы, так и для полиуретановой смолы. Как проиллюстрировано на этих фигурах, пластины, армированные волокнами типа HP, демонстрируют увеличение модуля упругости при растяжении, составляющее 13% в случае сложнополиэфирной смолы и 8% в случае полиуретановой смолы, по сравнению с пластинами, армированными волокнами типа Е-CR. Для примерных пластин, армированных волокнами типа HP, был достигнут модуль упругости при растяжении, составляющий 70 ГПа в случае ненасыщенной сложнополиэфирной смолы и 62 ГПа в случае полиуретановой смолы.In fig. 5A and 5B illustrate the tensile modulus of pultruded flat plates containing unidirectional E-CR fibers compared to pultruded flat plates containing HP fibers for both the unsaturated polyester resin and the polyurethane resin. As illustrated in these figures, plates reinforced with HP fibers exhibit an increase in tensile modulus of 13% for polyester resin and 8% for polyurethane resin compared to plates reinforced with E-CR fibers. For exemplary HP fiber reinforced plates, a tensile modulus of 70 GPa for the unsaturated polyester resin and 62 GPa for the polyurethane resin was achieved.
На фиг. 6А и 6В проиллюстрирована прочность при межслойном сдвиге (ILSS) изготовленных пултрузией плоских пластин, содержащих однонаправленные волокна типа E-CR, по сравнению с изготовленными пултрузией плоскими пластинами, содержащими волокна типа HP, как для ненасыщенной сложнополиэфирной смолы, так и для полиуретановой смолы. Поскольку значение ILSS зависит, главным образом, от смолы, результаты показывают совместимость на границе раздела стекла и смолы. Для примерных пластин, армированных волокнами типа HP, было достигнуто значение ILSS, составляющее 50 МПа в случае ненасыщенной сложнополиэфирной смолы и 81 МПа в случае полиуретановой смолы,In fig. 6A and 6B illustrate the interlaminar shear strength (ILSS) of pultruded flat plates containing unidirectional E-CR fibers compared to pultruded flat plates containing HP fibers for both the unsaturated polyester resin and the polyurethane resin. Since the ILSS value depends mainly on the resin, the results show compatibility at the glass-resin interface. For exemplary plates reinforced with HP fibers, an ILSS value of 50 MPa for the unsaturated polyester resin and 81 MPa for the polyurethane resin was achieved.
--
Claims (10)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/981,760 | 2020-02-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046187B1 true EA046187B1 (en) | 2024-02-14 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9932263B2 (en) | Glass composition having improved hydraulic resistance for the manufacture of glass reinforcing strands | |
| RU2406702C2 (en) | Composition of alkali- and acid-resistant glass, fibre glass obtained from said glass and composite containing fibre glass | |
| KR102668384B1 (en) | High performance fiberglass compositions | |
| US7629279B2 (en) | Glass fiber | |
| KR20210096138A (en) | High-performance fiber glass composition with improved specific modulus | |
| US20070243995A1 (en) | Corrosion-Resistant Fiberglass-Reinforced Plastic Material | |
| CN112384665B (en) | FRP rib and method for producing same | |
| US8586491B2 (en) | Composition for high performance glass, high performance glass fibers and articles therefrom | |
| KR20210096140A (en) | High Performance Fiber Glass Composition with Improved Modulus of Elasticity | |
| RU2732284C2 (en) | Composite fiber coated with silicon dioxide for reinforcement of concrete | |
| US20230065267A1 (en) | Composite parts with improved modulus | |
| EA046187B1 (en) | PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED MODULE OF ELASTICITY FOR CONCRETE REINFORCEMENT | |
| JP2005526684A (en) | Reinforced yarns and composites resistant to corrosive media | |
| RU2286315C1 (en) | Plastic rod for reinforcement of the concrete | |
| JP2004189583A (en) | Glass composition, and glass fiber | |
| JPH0245741B2 (en) | ||
| JP2002060503A (en) | Frp rod for substituting reinforcing iron rod |