ES2871147T3 - Composición de fibra de vidrio sin boro, y fibra de vidrio y material compuesto de la misma - Google Patents

Composición de fibra de vidrio sin boro, y fibra de vidrio y material compuesto de la misma Download PDF

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Abstract

Una composición de fibra de vidrio sin boro, en donde, comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso: SiO2 58-60,4% Al2O3 14-16,5% CaO 14,1-16,5% MgO 6-8,2% Li2O 0,01- <0,1% Na2O+K2O menos del 1,15% K2O mayor del 0,5% TiO2 menos del 1,5% Fe2O3 menos del 1% en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,4, y en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es mayor de 1 y menor de o igual a 6.

Description

DESCRIPCIÓN
Composición de fibra de vidrio sin boro, y fibra de vidrio y material compuesto de la misma
Campo de la invención
La invención se refiere a composiciones de fibra de vidrio sin boro, en particular, a composiciones de fibra de vidrio sin boro de alto rendimiento que se pueden usar como un material base de refuerzo para materiales compuestos avanzados, y a la fibra de vidrio y material compuesto de la misma.
Antecedentes de la invención
La fibra de vidrio es un material de fibra inorgánico que se puede usar para reforzar resinas para producir materiales compuestos con buen rendimiento. Como un material base de refuerzo para materiales compuestos avanzados, originalmente se usaron fibras de vidrio de alto rendimiento 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 usado ampliamente en los campos civil e industrial tal como motores, palas eólicas, recipientes a presión, tuberías de petróleo marítimas, aparatos deportivos e industria automovilística.
Desde que Owens Corning (de aquí en adelante denominado OC) de los EE UU desarrollara fibra de vidrio S-2, diferentes países han competido en desarrollar fibras de vidrio de alto rendimiento con varias composiciones, por ejemplo, la fibra de vidrio R desarrollada por Saint-Gobain de Francia, la fibra de vidrio HiPer-tex desarrollada por OC de los EE UU y la fibra de vidrio de alta resistencia 2# desarrollada por Nanjing Fiberglass Research & Design Institute Co. Ltd de China. Las composiciones de vidrio de alto rendimiento originales se basaban en un sistema de MgO-A^O3-SiO2 y una composición típica era el vidrio S-2 desarrollado por OC. Sin embargo, la producción de vidrio S-2 es excesivamente difícil, ya que su temperatura de formación es hasta aproximadamente 1571°C y su temperatura liquidus es hasta 1470°C y por tanto es difícil llevar a cabo producción industrial a gran escala. Después OC renunció a la producción de fibra de vidrio S-2 y cedió la patente a la empresa AGY que se ha dedicado a la producción a pequeña escala de fibra de vidrio S y sus productos mejorados.
Después de ello, con el fin de disminuir la temperatura de fusión y la temperatura de formación del vidrio para satisfacer mejor las necesidades de producción en horno de cuba a gran escala, grandes empresas extranjeras desarrollaron sucesivamente vidrios de alto rendimiento basados en un sistema de MgO-CaO-A^O3-SiO2. Las composiciones típicas fueron vidrio R desarrollado por Saint-Gobain de Francia y vidrio HiPer-tex desarrollado por OC de los EE UU, que fueron un compromiso para la escala de producción sacrificando algunas de las propiedades del vidrio. Sin embargo, como estas soluciones diseñadas eran demasiado conservadoras, especialmente el contenido de AhO3 se mantuvo más del 20%, preferiblemente el 25%, la producción de vidrio permaneció muy difícil. Aunque se alcanzó la producción en horno de cuba a pequeña escala, la eficacia de producción era baja y la proporción coste-rendimiento de los productos no era alta. Después OC renunció a la producción de fibra de vidrio HiPer-tex y cedió la patente de la fibra de vidrio HiPer-tex a la empresa 3B de Europa. Alrededor de 2007, OCV Company se estableció bajo la combinación de OC y Saint-Gobain, y las tecnologías centrales de la fibra de vidrio R se cedieron a OCV Company. La razón de Ca/Mg en el vidrio R tradicional es demasiado baja, lo que producirá problemas tal como dificultad de fibrizar, alto riesgo de cristalización, alta tensión de superficie y dificultad de afinado del vidrio fundido; la temperatura de formación es de hasta aproximadamente 1410°C y la temperatura liquidus hasta 1330°C. Todas estas han causado dificultad en atenuar la fibra de vidrio y por consiguiente en llevar a cabo 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 formación son significativamente superiores a los del vidrio R tradicional. Sin embargo, este tipo de vidrio R tiene un alto riesgo de desvitrificación porque las razones de Si/Ca y Ca/Mg no están diseñadas razonablemente. Mientras tanto, puesto que se introduce demasiado Li2O, no solo la estabilidad química del vidrio está afectada, sino que además su coste de materia prima se convierte en significativamente mayor. Por tanto, tampoco es adecuada para la producción industrial a gran escala.
La fibra de vidrio High-strength 2# principalmente comprende SiO2 , A^O3 , y MgO, y también se introducen ciertas cantidades de Li2O, B2O3 , CeO2, y Fe2O3. También tiene alta resistencia y alto módulo y su temperatura de formación es solo aproximadamente 1245°C y su temperatura liquidus es 1320°C. Ambas temperaturas son mucho menores que las de la fibra de vidrio S. Sin embargo, puesto que su temperatura de formación es menor que su temperatura liquidus, lo que es desfavorable para el control de la atenuación de la fibra de vidrio, la temperatura de formación se tiene que aumentar y se tienen que usar puntas de boquilla con formas especiales para prevenir que se produzca un fenómeno de cristalización de vidrio en el proceso de estirar el vidrio. Esto produce dificultad en el control de la temperatura y también hace difícil llevar a cabo la producción industrial a gran escala. Los documentos CN 104743888 o US 2015/0057143 describen fibras de vidrio sin boro.
En resumen, hemos encontrado que varios tipos de fibras de vidrio de alto rendimiento en general se enfrentan a problemas de producción tal como alta temperatura liquidus, alto riesgo de desvitrificación, alta temperatura de formación, alta tensión de superficie y dificultad de afinado del vidrio fundido. La temperatura liquidus del vidrio E mayoritario es en general menor de 1200°C, y su temperatura de formación es menor de 1300°C, mientras que las fibras de vidrio de alto rendimiento anteriormente mencionadas en general tienen temperaturas liquidus mayores de 1300°C y temperaturas de formación mayores de 1350°C, que pueden fácilmente producir fenómeno de cristalización del vidrio, viscosidad desigual y mal afinado, reduciendo mucho de esta manera la eficacia de producción, la calidad del producto y la vida de servicio de material refractarios y cojinetes de platino.
Compendio de la invención
La presente invención se dirige a proporcionar una composición de fibra de vidrio sin boro que puede resolver los problemas anteriormente mencionados.
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona la composición de fibra de vidrio que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58-60,4%
Al2O3 14-16,5%
CaO 14,1-16,5%
MgO 6-8,2%
Li2O 0,01- <0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,4.
En donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es mayor de 1 y menor de o igual a 6.
En donde, el intervalo preferido de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,3.
En donde, el intervalo preferido de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,2-5.
Según otro aspecto de esta invención, se proporciona una fibra de vidrio producida con dicha composición de fibra de vidrio.
Según aún otro aspecto de esta invención, se proporciona un material compuesto que incorpora dicha fibra de vidrio.
Según la composición de esta invención, se proporciona una composición de fibra de vidrio sin boro de alto rendimiento introduciendo cantidades apropiadas de K2O y Li2O, diseñando razonablemente los intervalos de contenidos de CaO, MgO, K2O y Li2O respectivamente, controlando estrictamente los intervalos de las razones de CaO/MgO y K2O/Na2O, haciendo uso completo del efecto alcalino mixto ternario de K2O, Na2O y Li2O, e introduciendo selectivamente una pequeña cantidad de ZrO2 y HfO2.
Específicamente, la composición de fibra de vidrio según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58-60,4%
Al2O3 14-16,5%
CaO 14,1-16,5%
MgO 6-8,2%
Li2O 0,01- <0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,4.
El efecto y contenido de cada componente en dicha composición de fibra de vidrio se describe como sigue:
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 el 58-60,4% en peso. Con el fin de asegurar las altas propiedades mecánicas, y mientras tanto no aumentar la dificultad de afinado del vidrio, el intervalo de contenido de SÍO2 en la composición de fibra de vidrio de esta invención se mantiene en especial relativamente bajo. Preferiblemente, el intervalo de contenido de SO 2 puede ser el 58,5-60,4% en peso.
AhO3 es otro óxido que forma la red de vidrio. Cuando se combina con SO 2, puede tener un efecto sustantivo en las propiedades mecánicas del vidrio y un efecto significativo en prevenir la separación de fase de vidrio y en resistencia a agua. El intervalo de contenido restringido de A^O 3 en la composición de fibra de vidrio de esta invención es el 14-16,5% en peso. Las altas propiedades mecánicas, especialmente módulo, no se pueden obtener si el contenido de Al2O3 es demasiado bajo; si el contenido de A^O3 es demasiado alto producirá que la viscosidad de vidrio sea excesivamente alta, produciendo de esta manera problemas de fusión y afinado. Preferiblemente, el contenido de Al2O3 puede ser 14,5-16,5%.
CaO es un modificador de la red de vidrio importante, tiene efectos particulares en reducir la viscosidad del vidrio a alta temperatura, controlando la cristalización y la velocidad de endurecimiento del vidrio fundido, pero si el contenido de CaO es demasiado alto producirá mayor tendencia a la cristalización del vidrio, produciendo de esta manera la cristalización de anortita (CaAl2Si2Os) y wollastonita (CaSiO3) de la fusión de vidrio. El intervalo de contenido restringido de CaO en la composición de fibra de vidrio de esta composición es el 14,1-16,5% en peso. Preferiblemente, el contenido de CaO puede ser el 14,1-16,1% en peso.
MgO tiene un efecto similar al del CaO, y aun así el Mg2+ tiene mayor intensidad de campo y desempeña una función significativa en aumentar el módulo del vidrio. Sin embargo, si el contenido de MgO es demasiado alto aumentará la tendencia y velocidad de cristalización del vidrio, produciendo de esta manera el riesgo de cristalización de diópsido (CaMgSi2O6), que es más violento comparada con la producida por CaO. El intervalo de contenido restringido de MgO en la composición de fibra de vidrio de esta invención es 6-8,2% en peso. Preferiblemente, el contenido de MgO puede ser 6-8% en peso.
Además, la fase cristalina después de la cristalización de vidrios de alto rendimiento basados en un sistema de MgO-CaO-Al2O3-SiO2 principalmente comprende diópsido (CaMgSi2O6), anortita (CaAl2Si2Os) y wollastonita (CaSiO3). Con el fin de inhibir eficazmente el crecimiento de estos cristales, reducir la temperatura límite superior para la cristalización de vidrio (temperatura liquidus) y reducir la tendencia a la cristalización del vidrio, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,4. Al controlar que el intervalo de razón molar de Ca2+/Mg2+ sea aproximadamente 1,42-1,72, el crecimiento del cristal de anortita podría equilibrarse contra el de diópsido en el proceso de cristalización del vidrio, lo que ayuda a reducir la velocidad de cristalización de dos cristales y la integridad del grano de cristal, inhibir simultáneamente la tendencia a la cristalización de los dos cristales y reducir la temperatura liquidus. Esto es porque la razón anteriormente mencionada puede aprovecharse de la alta intensidad de campo del Mg2+ mientras que asegura un suministro suficiente de iones Ca2+ durante la cristalización del vidrio, y hacer uso completo de la competición entre iones Mg2+ y Ca2+ en atrapar los grupos aniones en el vidrio. Obviamente, si la razón de CaO/MgO es demasiado baja producirá demasiado contenido de Mg2+, y agravará la cristalización de diópsido; si la razón de porcentaje en peso de CaO/MgO es demasiado alta producirá demasiado contenido en Ca2+, y agravará la cristalización de anortita, o incluso producirá que se formen los cristales de wollastonita, afectando mucho de esta manera el equilibrio de crecimiento competitivo de cristales. Preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO puede ser mayor de 2 y menor de o igual a 2,3. Más preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO puede ser mayor de 2 y menor de o igual a 2,14. Los efectos técnicos se pueden alcanzar inesperadamente en comparación con esos con vidrios de alto rendimiento tradicionales. Además, la resistencia mecánica del vidrio es mejor cuando el contenido de CaO se mantiene relativamente alto debido a la energía de enlace de Ca-O, que también tiene un efecto significativo en la acumulación de estructura de vidrio.
Tanto K2O como Na2O son buenos agentes fundentes que pueden reducir la viscosidad del vidrio. Los inventores han encontrado que, sustituyendo Na2O con K2O mientras se mantiene la cantidad total de óxidos de metales alcalinos sin cambiar puede reducir la tendencia a la cristalización del vidrio, mejorar el rendimiento de fibrización, y también reducir marcadamente la tensión de superficie de vidrio fundido y mejorar el rendimiento de afinado; y ayudar a mejorar la resistencia mecánica 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 1,15% en peso, el intervalo de contenido restringido de K2O es mayor del 0,5% en peso, y el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O se puede restringir adicionalmente para que sea mayor de 1 y menor de o igual a 6. Preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O puede ser 1,2-5.
Li2O puede no solo reducir la viscosidad del vidrio drásticamente para mejorar el rendimiento de fusión, sino que también obviamente ayuda a mejorar las propiedades mecánicas, comparado con Na2O y K2O. Además, una pequeña cantidad de Li2O puede proporcionar considerable oxígeno libre, fomentando de esta manera que más iones aluminio formen coordinación tetraédrica que ayudaría a reforzar la red de vidrio y reducir más la tendencia a la cristalización del vidrio. Pero la cantidad añadida de Li2O no debe ser demasiado alta, ya que si el contenido de Li+ es demasiado alto tendrá un efecto significativo en desorganizar la red de vidrio, afectar la estabilidad de la estructura de vidrio, y por tanto aumentar la tendencia a la cristalización del vidrio. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de Li2O es 0,01- <0,1% en peso. Los inventores han encontrado que los efectos técnicos permanecen excelentes incluso cuando el contenido de LÍ2O se mantiene relativamente bajo, tal como mayor que o igual al 0,01% y menor que el 0,1% en peso.
T O 2 puede no solo reducir la viscosidad del vidrio a alta temperatura, sino que además tiene un cierto efecto fundente. Sin embargo, puesto que los iones titanio tiene efectos colorantes, que se volverán particularmente significativos especialmente cuando el contenido de T O 2 sea mayor del 1,5% en peso, afectando de esta manera el aspecto de los productos de fibra de vidrio a un cierto nivel. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de esta invención, el intervalo restringido del contenido de T O 2 es menor del 1,5% en peso.
La introducción de Fe2O3 facilita la fusión del vidrio y también puede mejorar las propiedades de cristalización del vidrio. Sin embargo, puesto que los iones férricos y iones ferrosos tienen efectos colorantes, la cantidad introducida debe ser limitada. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo reducido del contenido de Fe2O3 es menor del 1% en peso.
Además, se puede introducir selectivamente una pequeña cantidad de ZrO2 y HfO2 , que puede mejorar más las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica del vidrio. Considerando que ZrO2 y HfO2 aumentarían la viscosidad del vidrio, las cantidades añadidas de ellos no deben ser demasiado altas. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido total de ZrO2 y HfO2 es 0,01-2% en peso.
Además de los componentes anteriormente mencionados, pueden estar presentes pequeñas cantidades de impurezas en la composición de vidrio según la presente invención, y el porcentaje en peso total de las impurezas es menor que o igual al 1%.
En la composición de vidrio según la presente invención, los efectos beneficiosos producidos por los intervalos seleccionados anteriormente mencionados de los componentes se explicarán mediante los datos experimentales específicos proporcionados posteriormente.
Las siguientes son formas de realización de intervalos de contenido preferidos de los componentes comprendidos en la composición de fibra de vidrio según la presente invención.
Forma de realización preferida 1
La composición de fibra de vidrio según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58,5-60,4%
Al2O3 14,5-16,5%
CaO 14,1-16,1%
MgO 6-8%
Li2O 0,01-<0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,3; y el intervalo de la razón de porcentaje en peso c 2 = K2O/Na2O es mayor de 1 y menor de o igual a 6.
Forma de realización preferida 2
La composición de fibra de vidrio según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58,5-60,4%
Al2O3 14,5-16,5%
CaO 14,1-16,1%
MgO 6-8%
Li2O 0,01-<0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,14; y el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,2-5.
Forma de realización preferida 3
La composición de fibra de vidrio según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58,5-60,4%
Al2Oa 14,5-16,5%
CaO 14,1-16,1%
MgO 6-8%
Li2O mayor que o igual al 0,01% y menor del 0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,14; y el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,2-5.
La presente invención proporciona una composición de fibra de vidrio sin boro, fibra de vidrio y material compuesto de la misma. La composición puede no solo mantener la temperatura de formación relativamente baja, sino que también resuelve los problemas en la producción de fibra de vidrio de alto rendimiento, tal como alta temperatura liquidus, alta velocidad de cristalización, alta tensión de superficie, dificultad de afinado, y la dificultad en producción eficaz y a gran escala. La composición puede reducir significativamente la temperatura liquidus y tensión de superficie de vidrio fundido, y reducir la tendencia a la cristalización de vidrio y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones. Mientras tanto, la fibra de vidrio hecha de la misma posee resistencia mecánica favorable.
Descripción detallada de la invención
Con el fin de aclarar mejor los fines, soluciones técnicas y ventajas de los ejemplos de la presente invención, las soluciones técnicas en los ejemplos de la presente invención se describen clara y completamente a continuación combinadas con los dibujos en 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. Todas las otras formas de realización ejemplares obtenidas por un experto en la materia en la base de los ejemplos en la presente invención sin realizar trabajo creativo estarán todas dentro del ámbito de protección de la presente invención. Lo que se necesita dejar claro es que, siempre que no haya conflicto, los ejemplos y las características de los ejemplos en 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 como porcentaje en peso: SiO258-60,4%, A^O 314-16,5%, CaO 14,1-16,5%, MgO 6-8,2%, Li2O 0,01- <0,1%, Na2O+K2O menos del 1,15%, K2O mayor del 0,5%, TiO2 menos del 1,5% y Fe2O3 menos del 1%, en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,4. Además, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O se puede restringir adicionalmente para que sea mayor de 1 y menor de o igual a 6.
Los valores de contenido específico de SiO2 , A^O 3, CaO, MgO, Na2O, K2O, Fe2O3 , Li2O y TiO2 en la composición de fibra de vidrio de la presente invención se seleccionan para usarse en los ejemplos, que se comparan con las propiedades de vidrios E y R tradicionales y vidrio R mejorado en términos de los siguientes seis parámetros de propiedades:
(1) Temperatura de formación, la temperatura a la que la fusión de vidrio tiene una viscosidad de 103 poise.
(2) Temperatura liquidus, la temperatura a la que los núcleos del cristal empiezan a formarse cuando la fusión de vidrio se enfría, es decir, la temperatura límite superior para la cristalización del vidrio.
(3) Valor AT, que es el diferencial de temperatura entre la temperatura de formación y la temperatura liquidus e indica el intervalo de temperatura en el que se puede realizar la extracción de fibra.
(4) Temperatura pico de cristalización, la temperatura del pico de cristalización más fuerte en la prueba DTA (análisis térmico diferencial). En general, cuanto mayor sea la temperatura, más energía necesitan los núcleos del cristal para crecer, y menor es la tendencia a la cristalización del vidrio.
(5) Resistencia del filamento, resistencia a la tracción que un filamento de fibra de vidrio puede soportar.
(6) Cantidad de burbujas, que se va a determinar aproximadamente en un procedimiento configurado como sigue:
usar moldes específicos para comprimir los materiales de lote en cada ejemplo a muestras de la misma dimensión, que se colocarán después en la plataforma de muestra de un microscopio con calefacción. Calentar las muestras de vidrio según procedimientos estándar hasta la temperatura espacial preajustada 1500°C, y después la muestra de vidrio se enfría a temperatura ambiente sin conservación del calor. Por último, cada una de las muestras de vidrio se examina en un microscopio polarizante para determinar la cantidad de burbujas en las muestras. En donde, la cantidad de burbujas se identifica según una amplificación específica del microscopio.
Los seis parámetros anteriormente mencionados y los métodos de medirlos los conoce bien un experto en la materia. Por tanto, los parámetros anteriormente mencionados se pueden usar eficazmente para explicar las propiedades de la composición de fibra de vidrio de la presente invención.
Los procedimientos específicos para los experimentos son como sigue: cada componente se puede adquirir de las materias primas apropiadas; las materias primas se mezclan en las proporciones apropiadas de modo que cada componente alcanza el porcentaje en peso esperado final; el lote mezclado se funde y clarifica; después el vidrio fundido se extrae a través de las puntas de los cojinetes, formando de esta manera la fibra de vidrio; la fibra de vidrio se atenúa en el colector giratorio de una devanadora para formar tortas o paquetes. Por supuesto, se pueden usar métodos convencionales para procesar en profundo estas fibras de vidrio para satisfacer los requisitos esperados.
Las composiciones de fibra de vidrio ejemplares se dan a continuación.
Ejemplo 1
SiO2 59,8%
Al2Oa 15,4%
CaO 15,5%
MgO 7,3%
Li2O 0,09%
Na2O 0,33%
K2O 0,49%
Fe2Oa 0,42%
TiO2 0,47%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,13; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,49.
En el ejemplo 1, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1277°C
Temperatura liquidus 1197°C
AT 80°C
Temperatura pico de cristalización 1026°C
Resistencia del filamento 4140 MPa
Cantidad de burbujas 6
Ejemplo 2
SiO2 60,0%
Al2O3 15,2%
CaO 15,4%
MgO 7,2%
Li2O 0,25%
Na2O 0,22%
K2O 0,75%
Fe2O3 0,43%
TiO2 0,35%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,14; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 3,41.
En el ejemplo 2, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1276°C
Temperatura liquidus 1195°C
AT 81°C
Temperatura pico de cristalización 1034°C
Resistencia del filamento 4149 MPa
Cantidad de burbujas 4
Ejemplo 3
SiO2 59,1%
Al2O3 15,5%
CaO 15,6%
MgO 7,1%
LÍ2O 0,25%
Na2O 0,21%
K2O 0,85%
Fe2Oa 0,41%
TÍO2 0,38%
ZrO2+HfO2 0,4%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,20; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 4,05.
En el ejemplo 3, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1276°C
Temperatura liquidus 1196°C
AT 80°C
Temperatura pico de cristalización 1030°C
Resistencia del filamento 4143 MPa
Cantidad de burbujas 6
Ejemplo 4
SiO2 58,5%
Al2Oa 14%
CaO 16,1%
MgO 8%
Li2O 0,39%
Na2O+K2O 1,14%
K2O 0,95%
TiO2 1%
Fe2O3 0,87%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,01; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 5.
En el ejemplo 4, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1266°C
Temperatura liquidus 1190°C
AT 76°C
Temperatura pico de cristalización 1042°C
Resistencia del filamento 4195 MPa
Cantidad de burbujas 3
Ejemplo 5
SiO2 59%
Al2O3 14%
CaO 16,5%
MgO 8,2%
Li2O 0,39%
Na2O+K2O 1,14%
K2O 0,95%
TiO2 0,5%
Fe2O3 0,37%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,01; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 5.
En el ejemplo 5, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1268°C
Temperatura liquidus 1192°C
AT 76°C
Temperatura pico de cristalización 1038°C
Resistencia del filamento 4123 MPa
Cantidad de burbujas
Ejemplo 6
SiO2 58%
Al2O3 16,5%
CaO 16,5%
MgO 6,875%
Li2O 0,4%
Na2O+K2O 0,725%
K2O 0,5%
TiO2 0,5%
Fe2O3 0,5%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,4; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 2,22.
En el ejemplo 6, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1271°C
Temperatura liquidus 1194°C
AT 77°C
Temperatura pico de cristalización 1035°C
Resistencia del filamento 4135 MPa
Cantidad de burbujas 6
Eiemplo 7
SiO2 60,4%
Al2O3 16%
CaO 14,1%
MgO 7%
Li2O 0,21%
Na2O+K2O 1,105%
K2O 0,9%
TiO2 0,285%
Fe2O3 0,9%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,01; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 6.
En el ejemplo 7, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1275°C
Temperatura liquidus 1194°C
AT 81°C
Temperatura pico de cristalización 1036°C
Resistencia del filamento 4201 MPa
Cantidad de burbujas 4
Ejemplo 8
SiO2 60,3%
Al2O3 14,5%
CaO 16,1%
MgO 7%
Li2O 0,39%
Na2O+K2O 1,1%
K2O 0,6%
TiO2 1,21%
Fe2O3 0,4%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,3; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,2.
En el ejemplo 8, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1275°C
Temperatura liquidus 1195°C
AT 80°C
Temperatura pico de cristalización 1035°C
Resistencia del filamento 4144 MPa
Cantidad de burbujas 5
Ejemplo 9
SiO2 59,36%
Al2O3 14,9%
CaO 14,4%
MgO 6%
Li2O 0,3%
Na2O+K2O 1,14%
K2O 0,6%
TiO2 0,4%
Fe2O3 0,9%
ZrO2+HfO2 2%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,4; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,11.
En el ejemplo 9, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1278°C
Temperatura liquidus 1196°C
AT 82°C
Temperatura pico de cristalización 1031°C
Resistencia del filamento 4183 MPa
Cantidad de burbujas 9
Ejemplo 10
SiO2 59,36%
Al2O3 16,5%
CaO 14,4%
MgO 6%
Li2O 0,3%
Na2O+K2O 1,14%
K2O 0,6%
TiO2 1,39%
Fe2O3 0,9%
ZrO2+HfO2 0,01%
en donde, la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es 2,4; y la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,11.
En el ejemplo 9, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de formación 1276°C
Temperatura liquidus 1196°C
AT 80°C
Temperatura pico de cristalización 1030°C
Resistencia del filamento 4192 MPa
Cantidad de burbujas 5
Las comparaciones de los parámetros de propiedad de los ejemplos anteriormente mencionados y otros ejemplos de la composición de fibra de vidrio de la presente invención con los de vidrio E tradicional, vidrio R tradicional y vidrio R mejorado se hacen adicionalmente a continuación a modo de tablas, en donde los contenidos de componentes de la composición de fibra de vidrio se expresan como porcentaje en peso. Lo que se necesita dejar claro es que la cantidad total de los componentes en los ejemplos es ligeramente menor del 100%, y se debe entender que la cantidad restante es impurezas residuales o una pequeña cantidad de componentes que no se puede analizar.
Tabla 1
Figure imgf000011_0001
Tabla 2
Figure imgf000011_0002
Se puede ver de los valores en las tablas anteriores que, comparado 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) Temperatura liquidus mucho menor, que ayuda a reducir el riesgo de cristalización y aumenta la eficacia de extracción de fibra. (2) Temperatura pico de cristalización mayor, que significa que se necesita más energía para que los núcleos del cristal se formen y crezcan durante el procedimiento de cristalización, es decir, el vidrio de la presente invención tiene menor riesgo de cristalización en las mismas condiciones. (3) Cantidad de burbujas mucho menor, que significa que el rendimiento de afinado del vidrio fundido de la presente invención es mejor. Mientras tanto, la fibra de vidrio de la presente invención tiene mayor resistencia de filamento comparada con el vidrio R mejorado.
La composición de fibra de vidrio según la presente invención se puede usar para hacer fibras de vidrio que tienen las excelentes propiedades anteriormente mencionadas.
La composición de fibra de vidrio según la presente invención se puede usar en combinación con uno o más materiales orgánicos y/o inorgánicos para preparar materiales compuestos que tienen excelentes rendimientos, tal como materiales base reforzados con fibra de vidrio.
En conclusión, la presente invención proporciona una composición de fibra de vidrio sin boro, fibra de vidrio y material compuesto de la misma. La composición puede no solo mantener la temperatura de formación relativamente baja, sino que también resuelve los problemas en la producción de fibra de vidrio de alto rendimiento, tal como alta temperatura liquidus, alta velocidad de cristalización, alta tensión de superficie, dificultad de afinado, y la dificultad en la producción eficaz y a gran escala. La composición puede reducir significativamente la temperatura liquidus y la tensión de superficie de vidrio fundido, y reducir la tendencia a la cristalización del vidrio y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones. Mientras tanto, la fibra de vidrio hecha de la misma posee resistencia mecánica favorable.
Por último, lo que debe quedar claro es que, en este texto, los términos “contiene”, “comprende” o cualquier otra variante se pretende que signifiquen “incluir no exclusivamente” de modo que cualquier proceso, método, artículo o equipo que contiene una serie de factores incluirá no solo tales factores, sino que también incluye otros factores que no se enumeran explícitamente, o también incluye factores intrínsecos de tal proceso, método, objeto o equipo. Sin más limitaciones, factores definidos mediante la frase “contiene un ...” o sus variantes no descartan que haya otros factores similares en el proceso, método, artículo o equipo que incluyen dichos factores.
Aplicabilidad industrial de la invención
La composición de fibra de vidrio de la presente invención produce un avance en las propiedades de cristalización, resistencia de filamento y resistencia al calor del vidrio, en comparación con el vidrio R mejorado convencional presente, y reduce mucho el riesgo de cristalización, y mejora significativamente la resistencia del filamento y la temperatura del punto de ablandamiento en las mismas condiciones; además, la proporción coste-rendimiento de las soluciones técnicas globales de dicha composición es mayor, haciéndola de esta manera más adecuada para la producción industrial a gran escala.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Una composición de fibra de vidrio sin boro, en donde, comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58-60,4%
Al2O3 14-16,5%
CaO 14,1-16,5%
MgO 6-8,2%
Li2O 0,01-<0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,4, y en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es mayor de 1 y menor de o igual a 6.
2. La composición de fibra de vidrio sin boro de la reivindicación 1, en donde el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,3.
3. La composición de fibra de vidrio sin boro de la reivindicación 1, en donde el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,2-5.
4. La composición de fibra de vidrio sin boro de la reivindicación 1, en donde, comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58,5-60,4%
Al2O3 14,5-16,5%
CaO 14,1-16,1%
MgO 6-8%
Li2O 0,01- <0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,3, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es mayor de 1 y menor de o igual a 6.
5. La composición de fibra de vidrio sin boro de la reivindicación 1, en donde, comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 58,5-60,4%
Al2O3 14,5-16,5%
CaO 14,1-16,1%
MgO 6-8%
Li2O 0,01- <0,1%
Na2O+K2O menos del 1,15%
K2O mayor del 0,5%
TiO2 menos del 1,5%
Fe2O3 menos del 1%
en donde, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C1 = CaO/MgO es mayor de 2 y menor de o igual a 2,14, el intervalo de la razón de porcentaje en peso C2 = K2O/Na2O es 1,2-5.
6. La composición de fibra de vidrio sin boro de la reivindicación 1 o 5, en donde comprende además ZrO2 y HfO2 , y el contenido total de ZrO2 y HfO2 expresado como porcentaje en peso es el 0,01-2%.
7. Una fibra de vidrio, en donde, se produce de la composición de fibra de vidrio descrita en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
8. Un material compuesto, en donde, incorpora la fibra de vidrio descrita en la reivindicación 7.
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