ES2859646T3

ES2859646T3 - Composición de fibra de vidrio de alto rendimiento, fibra de vidrio y material compuesto a partir de la misma

Info

Publication number: ES2859646T3
Application number: ES15906052T
Authority: ES
Inventors: Lin Zhang; Guorong Cao; Wenzhong Xing; Guijiang Gu
Original assignee: Jushi Group Co Ltd
Current assignee: Jushi Group Co Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2021-10-04
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: BR112017023548A2; PL3275847T3; CA2984174C; JP6633651B2; US20180086661A1; HUE054124T2; AU2015411780A1; AU2015411780B2; BR112017023548B1; RU2017137765A; SA517390253B1; RU2017137765A3; MA41018B2; KR102038087B1; PT3275847T; EP3275847B1; CA2984174A1; US10189742B2; EP3275847A1; ZA201708661B

Abstract

Una composición de fibra de vidrio, caracterizada por que comprende los siguientes componentes, expresados en porcentaje en peso: SiO2 58-62 % Al2O3 14-18 % CaO + MgO 20-24,5 % CaO más del 14 % Li2O 0,01-0,5 % Na2O + K2O menos del 2 % TiO2 menos del 3,5 % Fe2O3 menos del 1 % F2 menos del 1 % B2O3 más del 0 % y menos del 0,1 % en donde, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,3-4,3.

Description

DESCRIPCIÓN

Composición de fibra de vidrio de alto rendimiento, fibra de vidrio y material compuesto a partir de la misma

Campo de la invención

La invención se refiere a composiciones de fibra de vidrio, en particular, a composiciones de fibra de vidrio de alto rendimiento que se pueden utilizar como un material de base de refuerzo para materiales compuestos, y a la fibra de vidrio y al material compuesto a partir de la misma.

Antecedentes de la invención

La fibra de vidrio es un material de fibra inorgánica que se puede utilizar para reforzar resinas para producir materiales compuestos con buen rendimiento. Como material de base de refuerzo para materiales compuestos avanzados, las fibras de vidrio de alto rendimiento se han utilizado originalmente principalmente en la industria de defensa nacional, tal como la industria aeronáutica, aeroespacial y militar. Con el progreso de la ciencia y la tecnología y el desarrollo de la economía, las fibras de vidrio de alto rendimiento se han utilizado ampliamente en campos civiles e industriales tales como motores, palas eólicas, recipientes a presión, oleoductos en alta mar, aparatos deportivos e industria automotriz. Algunos ejemplos de una composición para una fibra de vidrio pueden encontrarse en los documentos US 20130244858 A1 y US 20130203583 A1.

Desde que la Owens Corning Company (denominada en lo sucesivo OC) de los EE.UU. desarrolló la fibra de vidrio S-2, diferentes países han competido para desarrollar fibras de vidrio de alto rendimiento con diversas composiciones, por ejemplo, la fibra de vidrio R desarrollada por Saint-Gobain de Francia, la fibra de vidrio HiPer-tex desarrollada por la OC de los EE.UU. y la fibra de vidrio n°2 de alta resistencia desarrollada por el Nanjing Fiberglass Research & Design Institute Co. Ltd de China. Las composiciones de vidrio de alto rendimiento originales estaban basadas en un sistema de MgO-AhO3-SiO2 y una composición típica era el vidrio S-2 desarrollado por la OC de los EE.UU. Sin embargo, la producción de vidrio S-2 es extremadamente difícil, ya que su temperatura de conformación es de hasta aproximadamente 1571 °C y su temperatura de liquidus es de hasta 1470 °C, y por lo tanto, es difícil realizar una producción industrial a gran escala. Después, la Oc abandonó la producción de la fibra de vidrio S-2 y asignó la patente a la compañía AGY, que se ha dedicado a la producción a pequeña escala de la fibra de vidrio S y sus productos mejorados.

Posteriormente, con el fin de disminuir la temperatura de fusión y la temperatura de conformación del vidrio para satisfacer mejor las necesidades de la producción a gran escala en hornos de vidrio sin crisoles, las grandes empresas extranjeras desarrollaron sucesivamente vidrios de alto rendimiento basadas en un sistema de MgO-CaO-AhO3-SiO2. Las composiciones típicas eran vidrio R desarrollado por Saint-Gobain de Francia y vidrio HiPer-tex desarrollado por OC de los EE.UU., que suponían una compensación para la escala de producción al sacrificar algunas de las propiedades del vidrio. Sin embargo, como estas soluciones diseñadas eran demasiado conservadoras, especialmente el contenido de AhO3 se mantuvo en más del 20 %, preferentemente del 25 %, la producción de vidrio continuó siendo extremadamente difícil. Aunque se consiguió la producción a pequeña escala en hornos de vidrio sin crisoles, la eficiencia de producción era baja y la relación coste-rendimiento de los productos no era alta. Después, la OC abandonó la producción de la fibra de vidrio HiPer-tex y asignó la patente de la fibra de vidrio HiPer-tex a la compañía 3B de Europa. Alrededor de 2007, se estableció la compañía OCV combinando OC y Saint-Gobain, y las tecnologías básicas de la fibra de vidrio R se asignaron a la compañía OCV. La relación de Ca/Mg en el vidrio R tradicional es demasiado baja, lo que provocará problemas tales como dificultades en la obtención de fibras, alto riesgo de cristalización, alta tensión superficial y dificultades en la clarificación del vidrio fundido; la temperatura de conformación es de hasta aproximadamente 1410 °C y la temperatura de liquidus es de hasta 1330 °C. Todo esto ha causado dificultades en la atenuación de la fibra de vidrio, y consecuentemente, en la realización de la producción industrial a gran escala.

Además, PPG Industries ha divulgado otro tipo de fibra de vidrio R. Su rendimiento mecánico es ligeramente menor que el de la fibra de vidrio R tradicional, pero el rendimiento de fusión y de formación es significativamente superior al del vidrio R tradicional. Sin embargo, este tipo de vidrio R tiene un elevado riesgo de desvitrificación debido a que las relaciones de Si/Ca y Ca/Mg no están razonablemente diseñadas. No obstante, dado que se introduce demasiado Li2O, no solo afecta a la estabilidad química del vidrio, sino que también aumenta significativamente el coste de la materia prima. Por lo tanto, tampoco es adecuada para la producción industrial a gran escala.

La fibra de vidrio n° 2 de alta resistencia comprende principalmente SiO2, AhO3 y MgO, y también se introducen ciertas cantidades de Li2O, B2O3, CeO2 y Fe2O3. También tiene una alta resistencia y un módulo elevado, y su temperatura de conformación es de solo aproximadamente 1245 °C y su temperatura de liquidus es de 1320 °C. Ambas temperaturas son mucho más bajas que las de la fibra de vidrio S. Sin embargo, dado que su temperatura de conformación es más baja que su temperatura de liquidus, lo cual es desfavorable para el control de la atenuación de la fibra de vidrio, la temperatura de conformación debe aumentarse y deben usarse puntas con una forma especial en los cojinetes para evitar que ocurra un fenómeno de cristalización del vidrio en el proceso de trefilado de la fibra. Esto provoca dificultades en el control de la temperatura y también dificulta la realización de una producción industrial a gran escala.

En síntesis, hemos averiguado que diversos tipos de fibras de vidrio de alto rendimiento generalmente se enfrentan a problemas de producción tales como una alta temperatura de liquidus, un alto riesgo de desvitrificación, una elevada temperatura de conformación, una elevada tensión superficial y dificultades en la clarificación del vidrio fundido. La temperatura de liquidus de la corriente principal de vidrio E generalmente es menor de 1200 °C, y su temperatura de conformación es menor de 1300 °C, mientras que las fibras de vidrio de alto rendimiento mencionadas anteriormente tienen generalmente unas temperaturas de liquidus mayores de 1300 °C y unas temperatura de conformación mayores de 1350 °C, lo que puede causar fácilmente un fenómeno de cristalización del vidrio, una viscosidad desigual y una mala clarificación, reduciendo en gran medida la eficiencia de producción, la calidad del producto y la vida útil de los materiales refractarios y los cojinetes de platino.

Sumario de la invención

La presente invención tiene como objetivo proporcionar una composición de fibra de vidrio de alto rendimiento que pueda resolver los problemas anteriormente mencionados.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona una composición de fibra de vidrio que comprende los siguientes componentes expresados en porcentaje en peso:

SiO2 58-62 %

Al2O3 14-18 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

Li²O 0,01-0,5%

Na²O K2O menos del 2 %

TiO2 menos del 3,5 %

Fe2O3 menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0,1

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,3-4,3.

En donde, el contenido de F2 expresado como porcentaje ponderal es mayor o igual al 0,01 % y menor del 0,3 %.

En donde, el contenido de Li2O expresado como porcentaje ponderal es mayor o igual al 0,01 % y menor del 0,1 %.

De acuerdo con otro aspecto de esta invención, se proporciona una fibra de vidrio producida con dicha composición de fibra de vidrio.

De acuerdo con otro aspecto más de esta invención, se proporciona un material compuesto que incorpora dicha fibra de vidrio.

Mediante un diseño razonable de los intervalos de los contenidos de SO 2, CaO, MgO, Li2 y F2, respectivamente, controlando estrictamente los intervalos de las relaciones de CaO/MgO y SO /CaO, haciendo un uso completo del efecto alcalino de la mezcla ternaria de K2O, Na2O y Li2O e introduciendo selectivamente una pequeña cantidad de B2O3, las soluciones técnicas de la presente invención pueden no sólo garantizar que la fibra de vidrio fabricada a partir de los mismos tenga unas elevadas propiedades mecánicas, sino también resolver los problemas en la producción de la fibra de vidrio de alto rendimiento, tales como la elevada temperatura de liquidus, la elevada tasa de cristalización, una elevada temperatura de conformación, dificultades en el enfriamiento, la elevada tensión superficial y dificultades en la clarificación. La composición puede reducir significativamente la temperatura de conformación, la temperatura de liquidus y la tensión superficial del vidrio fundido, y reducir las dificultades en la obtención de fibras, el grado de desvitrificación y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones. No obstante, la fibra de vidrio fabricada a partir de la misma posee una resistencia mecánica favorable. Adicionalmente, dicha fibra de vidrio poseería una propiedad de resistencia al calor excepcional cuando se introduce un elevado contenido de TiO2.

Específicamente, la composición de fibra de vidrio de acuerdo con la presente invención comprende los siguientes componentes expresados en porcentaje en peso:

SiO²58-62 %

Al²O³14-18%

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14%

LÍ2O 0,01-0,5%

Na2O K2O menos del 2 %

TÍO2 menos del 3,5 %

Fe2O3 menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0% y menos del 0,1%

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,3-4,3.

El efecto y el contenido de cada componente en dicha composición de fibra de vidrio se describe a continuación: El SiO2 es un óxido principal que forma la red de vidrio y tiene el efecto de estabilizar todos los componentes. En la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo de contenido restringido de SiO2 es del 58-62 % en peso. Si el contenido de SiO2 es demasiado bajo, afectará a las propiedades mecánicas del vidrio; si el contenido de SiO2 es demasiado alto causará que la viscosidad del vidrio sea excesivamente alta, lo que dará como resultado problemas en la fusión y la clarificación. Preferentemente, el intervalo de contenido de SiO2 puede ser del 58,5-61 % en peso. Más preferentemente, el intervalo de contenido de SiO2 puede ser del 58,5-60,4 % en peso.

El AhO3 es otro óxido que forma la red de vidrio. Cuando se combina con SiO2, puede tener un efecto sustancial sobre las propiedades mecánicas del vidrio y un efecto significativo para prevenir la separación de fases y en la resistencia al agua. El intervalo de contenido restringido de AhO3 en la composición de fibra de vidrio de esta invención es del 14-18% en peso. Si el contenido de AhO3 es demasiado bajo, no seremos capaces de obtener unas propiedades mecánicas elevadas; si el contenido de Al2O3 es demasiado alto causará que la viscosidad del vidrio sea excesivamente alta, lo que dará como resultado problemas en la fusión y la clarificación. Preferentemente, el contenido de AhO3 puede ser del 14,5-17 % en peso. Más preferentemente, el contenido de AhO3 puede ser del 14,5-16,5 % en peso.

El CaO es un importante modificador de la red de vidrio y tiene un efecto particular al reducir la viscosidad del vidrio a una temperatura elevada, pero si el contenido de CaO es demasiado alto, causará una mayor tendencia a la cristalización del vidrio, dando por tanto como resultado la cristalización de la anortita (CaAl2Si2Os) y la wollastonita (CaSiO3) en el fundido de vidrio. El MgO tiene el efecto similar, y el Mg2+ tiene una mayor resistencia de campo y juega un papel significativo para aumentar el módulo del vidrio. Si el contenido de MgO es demasiado alto, aumentará la tendencia y la tasa de cristalización del vidrio, causando así el riesgo de cristalización del diópsido (CaMgSi2O6). Mediante un diseño razonable de los intervalos de contenido de CaO, MgO, SiO2 y las relaciones entre ellos, la presente invención consigue introducir un crecimiento competitivo en cristales de anortita (CaAl2Si2Os), diópsido (CaMgSi2O6) y wollastonita (CaSiO3), de forma que se retarda el crecimiento de estos cristales, reduciendo por tanto el riesgo de desvitrificación. En la composición de fibra de vidrio de esta invención, el intervalo restringido del contenido total de CaO y MgO es del 20-24,5 % en peso, en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,3-4,3. La cristalización del vidrio podría controlarse haciendo un uso completo de la competición entre Mg2+, Ca2+ y Si4+ para atrapar los grupos aniónicos del vidrio, reduciendo así la temperatura de liquidus y el grado de desvitrificación. Obviamente, si la relación porcentual ponderal de CaO/MgO es demasiado baja, causará demasiado contenido de Mg2+, y empeorará la cristalización de diópsido; si la relación porcentual ponderal de CaO/MgO es demasiado alta, causará demasiado contenido Ca2+, y empeorará la cristalización de la anortita; si la relación porcentual ponderal de SiO2/CaO es demasiado alta, causará una viscosidad mayor; si la relación porcentual ponderal de SO /C aO es demasiado baja, empeorará la cristalización de la wollastonita. Preferentemente, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,4, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,4-4,2. Más preferentemente, el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,5-4,0.

Tanto el K2O como el Na2O son buenos fundentes que pueden reducir la viscosidad del vidrio y mejorar las propiedades de cristalización del vidrio. Pero las cantidades añadidas de los mismos no deben ser demasiado altas, para no reducir la resistencia del vidrio. En la composición de fibra de vidrio de esta invención, el intervalo restringido del contenido total de Na2O y K2O es menor del 2 % en peso.

El TiO2 no solo puede reducir la viscosidad del vidrio a alta temperatura, sino que también tiene un cierto efecto fundente. No obstante, un elevado contenido de TiO2 ayuda mucho a mejorar la resistencia al calor del vidrio. Por lo tanto, en la composición de fibra de vidrio de esta invención, el intervalo restringido del contenido de TiO2 es menor del 3,5% en peso. Adicionalmente, los inventores han descubierto que el vidrio poseería una resistencia al calor excepcional cuando se establece el intervalo del contenido de TiO2 para que sea mayor del 2 % y menor del 3,5 % en peso.

La introducción de Fe2O3 facilita la fusión del vidrio y también puede mejorar las propiedades de cristalización del vidrio. Sin embargo, dado que los iones férricos y los iones ferrosos tienen efectos colorantes, la cantidad introducida debe ser limitada. Por lo tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de Fe2O3 es menor del 1 % en peso.

El LÍ2O puede no solo reducir drásticamente la viscosidad del vidrio para mejorar el rendimiento de fusión, sino también ayudar, obviamente, a mejorar las propiedades mecánicas, en comparación con Na2O y K2O. Además, una pequeña cantidad de Li2O puede proporcionar un considerable oxígeno libre, favoreciendo así que más iones de aluminio formen una coordinación tetraédrica que ayudaría a reforzar la red de vidrio y a reducir adicionalmente la tendencia a la cristalización del vidrio. Pero la cantidad añadida de Li2O no debería ser demasiado alta, ya que si el contenido de Li+ es demasiado alto tendrá un efecto significativo al alterar la red de vidrio, afectando a la estabilidad de la estructura de vidrio, y aumentando por tanto la tendencia a la cristalización del vidrio. Por lo tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de Li2O es del 0,01-0,5 % en peso. Los inventores han descubierto que los efectos técnicos siguen siendo excelentes incluso cuando el contenido de Li2O se mantiene relativamente bajo, tal como mayor o igual al 0,01 % y menor del 0,1 % en peso.

En la composición de fibra de vidrio de la presente invención podría añadirse flúor (F2) en pequeñas cantidades. Una gran cantidad de experimentos e investigaciones muestran que una pequeña cantidad de flúor ofrece una mejora significativa en el rendimiento del fundente y una reducción en la temperatura de conformación y la temperatura de liquidus, causando pocas dificultades en el tratamiento del gas residual. Por ejemplo, si el porcentaje ponderal de F2 es del 0,2 %, puede reducir la temperatura de conformación y la temperatura de liquidus en 4-6 °C, lo que es favorable para la atenuación de la fibra de vidrio de alto rendimiento. Por lo tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido Li 2O es menor del 1 % en peso. En general, el intervalo de contenido de F2 está restringido para que sea mayor o igual al 0,01 % y menor del 0,3 %, considerando que un contenido relativamente bajo de F2 todavía puede producir un efecto deseado.

Adicionalmente, se introduce selectivamente una pequeña cantidad de B2O3, que tiene un efecto fundente y puede reducir la viscosidad del vidrio y el riesgo de desvitrificación. Inesperadamente, los inventores han averiguado que el B2O3 puede mejorar adicionalmente la resistencia, el módulo y otras propiedades físicas del vidrio cuando coexiste con Li2O en la composición de vidrio de la presente invención. Esto quizás es porque, desde el punto de vista de los inventores, la pequeña cantidad de B2O3 ha entrado activamente en su totalidad en la estructura de vidrio, lo que es favorable para optimizar las propiedades del vidrio. Por lo tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo del contenido B 2O3 es mayor del 0 % y menor del 0,1 % en peso.

Además de los componentes mencionados anteriormente, puede haber presentes pequeñas cantidades de impurezas en la composición de vidrio de acuerdo con la presente invención, y el porcentaje ponderal total de las impurezas es menor o igual al 1 %.

En la composición de fibra de vidrio de la presente invención, los efectos beneficiosos producidos por los intervalos seleccionados mencionados anteriormente de los componentes se explicarán a través de los datos experimentales específicos proporcionados a continuación.

Los siguientes son ejemplos de intervalos de contenido preferidos de los componentes comprendidos en la composición de fibra de vidrio de acuerdo con la presente invención.

Ejemplo preferido 1

La composición de fibra de vidrio de acuerdo con la presente invención comprende los siguientes componentes expresados en porcentaje en peso:

SiO²58.5- 61 %

Al²O³14.5- 17 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

Li²O 0,01-0,5%

Na²O K2O menos del 2 %

TiO²menos del 3,5 %

Fe²O³menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0,1 %

en donde, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,4; y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,4-4,2.

Ejemplo preferido 2

SiO²58,5-60,4 %

AI2O3 14,5-16,5 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

LÍ2O 0,01-0,5%

Na²O K2O menos del 2 %

TÍO2 menos del 3,5 %

Fe²O³menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0; %

en donde, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,4; y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,5-4,0.

Ejemplo preferido 3

SiO²58-62 %

Al²O³14-18 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

Li²O 0,01-0,5%

Na²O K2O menos del 2 %

TiO²más del 2 % y menos del 3,5 %

Fe²O³menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0,1 %

en donde, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1= CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6; y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,3-4,3.

La presente invención proporciona una composición de fibra de vidrio de alto rendimiento, fibra de vidrio y material compuesto a partir de la misma. La composición puede no sólo garantizar que la fibra de vidrio fabricada a partir de los mismos tenga unas elevadas propiedades mecánicas, sino también resolver los problemas en la producción de la fibra de vidrio de alto rendimiento, tales como la elevada temperatura de liquidus, la elevada tasa de cristalización, una elevada temperatura de conformación, dificultades en el enfriamiento, la elevada tensión superficial y dificultades en la clarificación. La composición puede reducir significativamente la temperatura de conformación, la temperatura de liquidus y la tensión superficial del vidrio fundido, y reducir las dificultades en la obtención de fibras, el grado de desvitrificación y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones. No obstante, la fibra de vidrio fabricada a partir de la misma posee una resistencia mecánica favorable.

Descripción de realizaciones preferidas

Para aclarar mejor los propósitos, las soluciones técnicas y las ventajas de los ejemplos de la presente invención, las soluciones técnicas de los ejemplos de la presente invención se describen a continuación clara y completamente, combinadas con los dibujos de los ejemplos. Obviamente, los ejemplos descritos en el presente documento son solo parte de los ejemplos de la presente invención y no son todos los ejemplos. Todos los demás ejemplos de realizaciones obtenidos por un experto en la materia basándose en los ejemplos de la presente invención sin realizar un trabajo creativo estarán, todos, dentro del alcance de protección de la presente invención. Lo que debe quedar claro es que, siempre que no haya conflicto, los ejemplos y las características de los ejemplos de la presente solicitud se pueden combinar arbitrariamente entre sí.

El concepto básico de la presente invención es que la composición de fibra de vidrio comprende los siguientes componentes expresados en porcentaje en peso: SiO258-62 %, AhO314-18 %, CaO MgO 20-24,5 %, CaO más del 14 %, Li 2O 0,01-0,4 %, Na2O K2O menos del 2 %, T ém e no s del 3,5 %, Fe2O3 menos del 1 %, F2 menos del 1 %, en donde, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = S O /C aO es de 3,3-4,3. Además, la composición de fibra de vidrio comprende una pequeña cantidad de B2O3, y el contenido de B2O3 expresado como porcentaje ponderal es mayor del 0 % y menor del 0,1 %. La composición de fibra de vidrio de la presente invención puede no sólo garantizar que la fibra de vidrio fabricada a partir de la misma tenga unas elevadas propiedades mecánicas, sino también resolver los problemas en la producción de la fibra de vidrio de alto rendimiento, tales como la elevada temperatura de liquidus, la elevada tasa de cristalización, una elevada temperatura de conformación, dificultades en el enfriamiento, una elevada tensión superficial, dificultades en la clarificación y dificultades en la producción industrial a gran escala. La composición puede reducir significativamente la temperatura de conformación, la temperatura de liquidus y la tensión superficial del vidrio fundido, y reducir las dificultades en la obtención de fibras, el grado de desvitrificación y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones. No obstante, la fibra de vidrio fabricada a partir de la misma posee una resistencia mecánica favorable. Adicionalmente, dicha fibra de vidrio poseería una propiedad de resistencia al calor excepcional cuando se introduce un elevado contenido de TiO2.

De acuerdo con las realizaciones específicas mencionadas, los valores del contenido específico de SiO2, AhO3, CaO, MgO, Na2O, K2O, Fe2O3, Li2O, TO2 y B2O3 en la composición de fibra de vidrio de la presente invención se seleccionan para ser usados en los ejemplos, que se comparan con las propiedades de los vidrios E y R y R tradicionales y el vidrio R mejorado en términos de los siguientes seis parámetros de propiedades:

(1) Temperatura de formación, la temperatura a la cual se funde el vidrio tiene una viscosidad de 103 poise. (2) Temperatura de liquidus, la temperatura a la cual los núcleos cristalinos comienzan a formarse cuando el vidrio fundido se enfría, es decir, la temperatura límite superior para la cristalización del vidrio.

(3) Valor de AT, que es la diferencia de temperatura entre la temperatura de conformación y la temperatura de liquidus, e indica el intervalo de temperatura al cual se puede realizar el trefilado de la fibra.

(4) Temperatura del pico de cristalización, la temperatura del pico de cristalización más fuerte en la prueba de DTA (análisis térmico diferencial). En general, cuanto más alta es la temperatura, más energía necesitan los núcleos de vidrio para crecer y la tendencia a la cristalización del vidrio es menor.

(5) Resistencia del filamento, la resistencia a la tracción que puede soportar un filamento de una hebra de fibra de vidrio.

(6) Temperatura del punto de reblandecimiento, que es una medida de la capacidad del vidrio para resistir una elevada temperatura de deformación.

Los seis parámetros mencionados anteriormente y los métodos para medirlos son bien conocidos por los expertos en la materia. Por lo tanto, los parámetros mencionados anteriormente se pueden usar de manera efectiva para explicar las propiedades de la composición de fibra de vidrio de la presente invención.

Los procedimientos específicos para los experimentos son los siguientes: Cada componente puede adquirirse de las materias primas adecuadas; las materias primas se mezclan en las proporciones adecuadas para que cada componente alcance el porcentaje ponderal final esperado; el lote mezclado se funde y clarifica; a continuación, el vidrio fundido se extrae a través de las puntas de los cojinetes, formando así la fibra de vidrio; la fibra de vidrio se atenúa sobre la pinza giratoria de una bobinadora para formar tortas o paquetes. Por supuesto, se pueden usar métodos convencionales para procesar aún más estas fibras de vidrio para cumplir con los requisitos esperados.

Los ejemplos de realizaciones de la composición de fibra de vidrio de acuerdo con la presente invención se proporcionan a continuación.

Ejemplo 1 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 58 %

Al2O3 18 %

CaO 14,1 %

MgO 6,9 %

B2O3 -

Li²O 0,01 %

Na²O 0,51 %

K2O 0,28 %

Fe2O3 0,69 %

TiO2 0,61 %

F2 0,90 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,04; y la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 4,11.

En el Ejemplo 1, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1271 °C

Temperatura de liquidus 1187 °C

AT 84 °C

Temperatura del pico de cristalización 1042 °C

Resistencia del filamento 4115 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 915 °C

Ejemplo 2 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 62 %

Al2O3 14%

CaO 15,6 %

MgO 6 0 %

B2O3 -

Li2O 0,05 %

Na2O 0,01 %

K2O 1 88 %

Fe2O3 0,40 %

TiO2 0,04 %

F2 0,02 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,60; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,97.

En el Ejemplo 2, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1277 °C

Temperatura de liquidus 1195 °C

AT 82 °C

Temperatura del pico de cristalización 1034 °C

Resistencia del filamento 4195 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 920 °C

Ejemplo 3 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 59,4 %

Al2O3 14,5 %

CaO 16,5 %

MgO 6,875 %

B2O3 -

Li2O 0,03 %

Na2O 0,12 %

K2O 1,175 %

TiO2 1,29 %

Fe2O3 0,05 %

F2 0,06 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,4; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,60.

En el Ejemplo 3, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1265 °C

Temperatura de liquidus 1187 °C

AT 78 °C

Temperatura del pico de cristalización 1043 °C

Resistencia del filamento 4149 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 916 °C

Ejemplo 4 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 61 %

AhOa 17 %

CaO 14,2 %

MgO 5,8 %

Li2O 0,01 %

Na2O 0,21 %

K2O 0,15 %

Fe2O3 0,99 %

TiO2 0,32 %

F2 0,32 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,45; y la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 4,30.

En el Ejemplo 4, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1278 °C

Temperatura de liquidus 1196 °C

AT 82 °C

Temperatura del pico de cristalización 1030 °C

Resistencia del filamento 4216 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 920 °C

Ejemplo 5 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 58,5 %

AhOa 16,5 %

CaO 14,5 %

MgO 7 %

B2O3 -

Li2O 0,5 %

Na2O 0,5 %

K2O 0,15 %

Fe2O3 0,35 %

TiO2 1,8 %

F2 0,2 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,07; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 4,03.

En el Ejemplo 5, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1264 °C

Temperatura de liquidus 1190 °C

AT 74 °C

Temperatura del pico de cristalización 1040 °C

Resistencia del filamento 4147 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 922 °C

Ejemplo 6 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 58,625 %

AhOa 14,375%

CaO 16,75 %

MgO 7,75 %

Li2O 0,15 %

Na2O 0,1 %

K2O 0,02 %

Fe2O3 0,02 %

TiO2 2,06 %

F2 0,15 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,16; y la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,50.

En el Ejemplo 6, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1269 °C

Temperatura de liquidus 1190 °C

AT 79 °C

Temperatura del pico de cristalización 1040 °C

Resistencia del filamento 4124 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 925 °C

Ejemplo 7 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 60,4 %

Al2O3 15 %

CaO 15,1 %

MgO 6,25 %

Li²O 0,01 %

Na²O 0,5 %

K2O 0,8 %

Fe²O³0,2 %

TiO2 1,24 %

F2 0,5 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,42; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 4,00.

En el Ejemplo 7, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1273 °C

Temperatura de liquidus 1196 °C

AT 77 °C

Temperatura del pico de cristalización 1030 °C

Resistencia del filamento 4130 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 915 °C

Ejemplo 8

SiO2 58,48 %

Al2O3 14 %

CaO 17,2 %

MgO 6,2 %

B2O3 0,08 %

Li2O 0,5 %

Na2O 0,5 %

K2O 0,25 %

Fe2O3 0,5 %

TiO2 1,79 %

F2 0,5 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,29; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,40.

En el Ejemplo 8, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1260 °C

Temperatura de liquidus 1182 °C

AT 78 °C

Temperatura del pico de cristalización 1044 °C

Resistencia del filamento 4110 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 914 °C

Ejemplo 9 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 59,5 %

Al2O3 14 %

CaO 17,5 %

MgO 7 %

Li²O 0,08 %

Na²O 0,41 %

K2O 0,51 %

Fe2O3 0,5 %

TiO2 0,3 %

F2 0,2 %

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,50; y la relación porcentual ponderal C2 = SO /C aO es de 3,40.

En el Ejemplo 9, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1272 °C

Temperatura de liquidus 1194 °C

AT 78 °C

Temperatura del pico de cristalización 1032 °C

Resistencia del filamento 4132 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 912 °C

Ejemplo 10

SiO2 60,9 %

AhOa 15,2 %

CaO 14,5 %

MgO 7,1 %

B2O3 0,01 %

Li2O 0,14 %

Na2O 0,41 %

K2O 0,33 %

Fe2O3 0,41 %

TiO2 1,00 %

F2 -

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,05; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 4,20.

En el Ejemplo 10, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1274 °C

Temperatura de liquidus 1194 °C

AT 80 °C

Temperatura del pico de cristalización 1034 °C

Resistencia del filamento 4137 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 923 °C

Ejemplo 11 (no de acuerdo con la presente invención)

SiO2 60,1 %

AhOs 15,2 %

CaO 15,1 %

MgO 7,5 %

B2O3 -

Li2O 0,50 %

Na2O 0,44 %

K2O 0,28 %

Fe2O3 0,42 %

TiO2 0,28 %

F2 -

en donde, la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es de 2,02; y la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,99.

En el Ejemplo 11, los valores medidos de los seis parámetros son, respectivamente:

Temperatura de formación 1274 °C

Temperatura de liquidus 1193 °C

AT 81 °C

Temperatura del pico de cristalización 1036 °C

Resistencia del filamento 4156 MPa

Temperatura del punto de reblandecimiento 920 °C

Las comparaciones de los parámetros de las propiedades de los ejemplos mencionados anteriormente y otros ejemplos de la composición de fibra de vidrio de la presente invención con los del vidrio E tradicional, el vidrio R tradicional y el vidrio R mejorado se presentan a continuación por medio de tablas, en donde los contenidos de los componentes de la composición de fibra de vidrio se expresan en porcentaje ponderal. Lo que debe quedar claro es que la cantidad total de los componentes en los ejemplos es ligeramente inferior al 100 %, y debe entenderse que la cantidad restante son cantidades traza de impurezas o una pequeña cantidad de componentes que no se pueden analizar. En las tablas 1 y 2, las composiciones A2, A3 y A9 son ejemplos inventivos, mientras que las composiciones A1, A4-A8, A10 y A11 no son de acuerdo con la invención.

Tabla 1

Tabla 2

continuación

A partir de los valores de la tabla anterior puede observarse que, en comparación con el vidrio R tradicional y el vidrio R mejorado, la composición de fibra de vidrio de la presente invención tiene las siguientes ventajas: (1) La composición tiene una temperatura de liquidus mucho menor, lo que ayuda a reducir el riesgo de cristalización y aumenta la eficacia de trefilado de las fibras. (2) La composición tiene una mayor temperatura del pico de cristalización, lo que significa que se necesita más energía para que crezcan los núcleos cristalinos, es decir, la composición tiene un menor riesgo de cristalización en las mismas condiciones. (3) La composición tiene una menor temperatura de conformación. No obstante, la composición tiene una resistencia del filamento y una temperatura del punto de reblandecimiento mayores en comparación con el vidrio R mejorado. Puede observarse que, en comparación con el vidrio R mejorado, la composición de fibra de vidrio de la presente invención logra un gran avance en términos de rendimiento de cristalización, resistencia del filamento y resistencia al calor, y reduce en gran medida el riesgo de cristalización, mejora significativamente la resistencia del filamento y la temperatura del punto de reblandecimiento en las mismas condiciones, y la relación coste-rendimiento de la totalidad de las soluciones técnicas es mayor, haciendo así que sea más adecuada para la producción en hornos de vidrio sin crisoles a gran escala.

La composición de fibra de vidrio de acuerdo con la presente invención puede usarse para fabricar fibras de vidrio que tengan las excelentes propiedades mencionadas anteriormente.

La composición de fibra de vidrio de acuerdo con la presente invención puede usarse en combinación con uno o más materiales orgánicos y/o inorgánicos para preparar materiales compuestos que tengan excelentes rendimientos, tales como materiales base reforzados con fibra de vidrio.

En conclusión, la presente invención proporciona una composición de fibra de vidrio, fibra de vidrio y material compuesto a partir de la misma. La composición puede no sólo garantizar que la fibra de vidrio fabricada a partir de los mismos tenga unas elevadas propiedades mecánicas, sino también resolver los problemas en la producción de la fibra de vidrio de alto rendimiento, tales como la elevada temperatura de liquidus, la elevada tasa de cristalización, una elevada temperatura de conformación, dificultades en el enfriamiento, la elevada tensión superficial y dificultades en la clarificación. La composición puede reducir significativamente la temperatura de conformación, la temperatura de liquidus y la tensión superficial del vidrio fundido, y reducir las dificultades en la obtención de fibras, el grado de desvitrificación y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones. No obstante, la fibra de vidrio fabricada a partir de la misma posee una resistencia mecánica favorable.

Finalmente, lo que debe quedar claro es que, en este texto, el término "contiene", "comprende" o cualquier otra variante pretenden significar "incluir no exclusivamente" de manera que cualquier proceso, método, artículo o equipo que contenga una serie de factores debe incluir no solo dichos factores, sino también otros factores que no se enumeran explícitamente, o que también incluyen factores intrínsecos de dicho proceso, método, objeto o equipo. Sin más limitaciones, los factores definidos por la expresión "contienen un/una..." o sus variantes no descartan que existan otros mismos factores en el proceso, método, artículo o equipo que incluyan dichos factores.

Los ejemplos anteriores se proporcionan únicamente con el propósito de ilustrar en lugar de limitar las soluciones técnicas de la presente invención. Aunque la presente invención se describe en detalle por medio de los ejemplos mencionados anteriormente, el experto en la materia entenderá que también se pueden realizar modificaciones a las soluciones técnicas incorporadas por todos los ejemplos mencionados anteriormente o hacer una sustitución equivalente a algunas de las características técnicas. Sin embargo, tales modificaciones o sustituciones no harán que las soluciones técnicas resultantes se desvíen sustancialmente de los intervalos de las soluciones técnicas incorporadas respectivamente en todos los ejemplos de la presente invención.

Aplicabilidad industrial de la invención

La composición de fibra de vidrio de la presente invención ha logrado un gran avance en las propiedades de cristalización, la resistencia del filamento y la resistencia al calor del vidrio en comparación con el vidrio R mejorado, y reduce en gran medida el riesgo de cristalización, y mejora significativamente la resistencia del filamento y la temperatura del punto de reblandecimiento en las mismas condiciones, y la relación coste-rendimiento de la totalidad de las soluciones técnicas es mayor, haciendo así que sea más adecuada para la producción en hornos de vidrio sin crisoles a gran escala.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una composición de fibra de vidrio, caracterizada por que comprende los siguientes componentes, expresados en porcentaje en peso:

SiO2 58-62 %

AhOa 14-18 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

Li2O 0,01-0,5%

Na2O K2O menos del 2 %

TiO2 menos del 3,5 %

Fe2O3 menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0,1 %

en donde, el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,6, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,3-4,3.

2. La composición de fibra de vidrio de la reivindicación 1, caracterizada por que el contenido de F2, expresado como porcentaje ponderal, es mayor o igual al 0,01 % y menor del 0,3 %.

3. La composición de fibra de vidrio de la reivindicación 1, caracterizada por que el contenido de Li2O, expresado como porcentaje ponderal, es mayor o igual al 0,01 % y menor del 0,1 %.

4. La composición de fibra de vidrio de la reivindicación 1, caracterizada por que el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,4-4,2.

5. La composición de fibra de vidrio de la reivindicación 1, caracterizada por que comprende los siguientes componentes, expresados en porcentaje en peso:

SiO2 58,5-61 %

AhOs 14,5-17 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

Li2O 0,01-0,5%

Na2O K2O menos del 2 %

TiO2 menos del 3,5 %

Fe2O3 menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0;1%

en donde el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,4, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,4-4,2.

6. La composición de fibra de vidrio de la reivindicación 1, caracterizada por que comprende los siguientes componentes, expresados en porcentaje en peso:

SiO2 58,5-60,4 %

Al2O3 14,5-16,5 %

CaO MgO 20-24,5 %

CaO más del 14 %

Li2O 0,01-0,5%

Na2O K2O menos del 2 %

TiO2 menos del 3,5 %

Fe2O3 menos del 1 %

F2 menos del 1 %

B2O3 más del 0 % y menos del 0;1%

en donde el intervalo de la relación porcentual ponderal C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor o igual a 2,4, y el intervalo de la relación porcentual ponderal C2 = SiO2/CaO es de 3,5-4,0.

7. La composición de fibra de vidrio de las reivindicaciones 1 o 6, caracterizada por que el contenido de TiO2, expresado como porcentaje ponderal, es mayor del 2 % y menor del 3,5 %.

8. Una fibra de vidrio, caracterizada por que se produce a partir de la composición de fibra de vidrio descrita en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Un material compuesto, caracterizado por que incorpora la fibra de vidrio descrita en la reivindicación 8.