KR101652140B1 - 직접 용융 작업에서 고강도 유리 섬유를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 형성된 생성물 - Google Patents

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Abstract

백금 또는 다른 귀금속 재료가 실질적으로 포함되지 않는 유리 용융장치에서 고강도 유리 섬유를 성형하는 방법, 이 방법에 의해 만들어지는 생성물, 및 이 방법에 사용되기에 적합한 원료조합 조성물이 개시된다. 본 발명에서 사용되는 일 유리 조성물은 50 ∼ 75 중량%의 SiO2, 13 ∼ 30 중량%의 Al2O3, 5 ∼ 20 중량%의 MgO, 0 ∼ 10 중량%의 CaO, 0 ∼ 5 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 를 포함하고, 높은 섬유화 온도 (예컨데 2400 ∼ 2900 ℉ (1316 ∼ 1593 ℃)) 및/또는 섬유화 온도보다 적어도 45 ℉ (25 ℃) 만큼 낮은 액상화 온도를 가진다. 본 발명의 방법에서 사용되는 다른 유리 조성물은 최대 약 64 ∼ 75 중량%의 SiO2, 16 ∼ 24 중량%의 Al2O3, 8 ∼ 12 중량%의 MgO, 및 0.25 ∼ 3 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 으로 구성되고, 약 2650 ℉ (1454 ℃) 미만의 섬유화 온도 및 적어도 80 ℉ (45 ℃) 의 ΔT 를 가진다. 용융된 유리를 유리 용융장치 (10) 로부터 성형 위치로 전송하기 위한 전로 (12) 가 제공된다. 백금 또는 다른 귀금속 재료를 실질적으로 사용하지 않은 용광로 및/또는 전로를 사용함으로써, 귀금속 재료로 라이닝 처리된 용융 용광로를 사용하여 생상되는 섬유의 비용과 비교하여 유리 섬유의 생산 비용이 현저히 줄어든다. 또한, 고강도 유리 섬유를 포함하는 고강도 복합재료 제품이 개시된다.

Description

직접 용융 작업에서 고강도 유리 섬유를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 형성된 생성물 {METHOD OF MANUFACTURING HIGH STRENGTH GLASS FIBERS IN A DIRECT MELT OPERATION AND PRODUCTS FORMED THERE FROM}
전체적으로 본 발명은 고강도 분야에 사용되는 연속된 유리 섬유를 제조하는 방법 및 상기 방법으로부터 만들어진 예컨데 탄도 강철판, 압력 용기, 항공우주산업용 구조물 재료, 해양용 구조물 재료, 및 풍력발전기 기둥 및 날개 등의 풍력 에너지용 구조물 재료 등의 제품에 관한 것이다.
유리섬유 강화 복합재료가 해양 및 항공우주산업용 재료에 한동안 사용되어 왔다. 탄소 및 아라미드 섬유 등의 다른 섬유 재료도 상당히 높은 비용에도 불구하고 사용될 수 있다. 본 발명의 기술은, 압축성형, 적층성형, 스프레이업, 수적법, 프리패브리케이티드 레이업 (프리프레그), 압축성형, 진공백 성형, 압력백 성형, 프레스성형, 트랜스퍼 성형, 진공보조 수지 트랜스퍼 성형, 인발성형, 필라멘트 와인딩, 주조, 오토클래이브 성형, 원심주조 수지 트랜스퍼 및 연속 주조를 포함하는 임의의 알려진 제조 방법을 사용할 수 있다. 복합재료의 물성은 섬유 및 수지, 및 이들 사이의 상승효과 (상승효과에 의해, 개별 재료로는 얻을 수 없는 재료 특성이 얻어짐) 에 의해 제어된다.
폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 및 에폭시 수지 등의 여러 종류의 수지가 복합재료품의 제조에 유용하다. 폴리에스테르 수지는 여러 상황에 적합하다. 비닐에스테르 수지는 폴리에스테르 수지에 비해 더 낮은 점성 프리큐어 (precure) 및 더 큰 가요성이 있는 포스트큐어 (postcure) 를 가지며, 일반적으로 기능저하에 더욱 저항력이 있다. 일반적으로 에폭시 수지는 경화 시에 투명하다. 에폭시 수지는 중합 비스페놀 A, 비스페놀 B, 비스페놀 C, 및 반응성 옥시란 결합을 생성하는 에피클로로하이드린과 유사한 구조의 화합물에 의해 형성되는 폴리에테르 수지이다. 에폭시 수지는 불용성 고체를 형성하기 위하여 아민, 무수물, 메르캅탄, 폴리에스테르 등의 다양한 경화제와 반응할 수 있다. 상기 반응은 응축 반응이며, 일반적으로 부산물을 생성하지 않는다. 경화된 에폭시 수지는 높은 강도를 가지며, 경화 중에 수축 정도가 낮다. 경화된 에폭시 수지는 코팅, 접착제, 주조, 복합재료, 또는 폼으로서 사용된다. 에폭시 수지는 또한 구조적 복합 재료 또는 구조적 글루(glue)로서 고강도 분야에서 사용되기에 바람직하다. 페놀수지는 알데히드 (일반적으로 포름알데히드) 와 함께 페놀 (또는 페놀 유도체) 의 축합에 의해 형성되는 열경화성 수지이다. 페놀수지는 주로 페인트 및 플라스틱의 제조에 주로 사용된다. 다른 특정한 고강도 모듈러스 수지는 비스말레이미드, 폴리아미드, 비닐 에스테르 페놀, 에틸렌-아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 공중합체, 아이오노머 (즉, 교차결합된 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 공중합체) 등의 고강도 중간 모듈러스 열가소성수지, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 나일론 또는 아라미드, 변형된 에폭시 수지를 포함한다.
연속 유리섬유 스트랜드를 만들기 위하여 가장 일반적으로 사용되는 고강도 유리 조성물은 "S-Glass" 이다. S-Glass 는 E-Glass 섬유보다 높은 기계적 강도를 가진 유리 섬유를 생성하는 화학적 조성물과 함께 마그네슘, 알루미늄 및 실리콘의 산화물을 주요 구성성분으로 하는 유리 군(family)이다. S-Glass 군 중에서 일반적으로 사용되는 요소는 S2-Glass로서 알려져 있다. S2-Glass는 약 65 중량%의 SiO2, 25 중량%의 AI2O3, 및 10 중량%의 MgO 로 구성되어 있다. 원래 S-Glass 는 탄도 장갑재료 등의 고강도 분야에서 사용되기 위해 설계된 구성을 하고 있다.
R-Glass 는 E-Glass 섬유보다 더 높은 기계적 강도를 가진 유리 섬유를 생성하는 화학적 조성물과 함께 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 및 실리콘의 산화물을 주요 구성성분으로 하는 유리 군이다. R-Glass 는 대략 58 ∼ 60 중량%의 Si02, 23.5 ∼ 25.5 중량%의 Al2O3, CaO 와 MgO 의 합이 14 ∼ 17 중량%, O % 의 B2O3, O % 의 F2 및 2 중량% 이하의 기타 구성요소를 포함하는 성분을 하고 있다. R-Glass 는 E-Glass 보다 알루미나 및 실리카를 더 포함하고, 섬유 성형 중에 더욱 고온의 용융 및 가공 온도를 필요로 한다. 일반적으로 R-Glass 를 위한 용융 및 가공 온도는 적어도 160 ℃ 이며, 이는 E-Glass 의 경우보다 높은 값이다. 가공 온도의 상기 증가를 위해서는 일반적으로 고 비용의 백금이 라이닝 처리된 용융장치를 사용하여야 한다. 또한, R-Glass 에서 액상선 온도가 성형 온도에 가까이 인접하여 있기 때문에 유리가 E-Glass 의 경우에서보다 더 높은 온도에서 섬유화될 필요가 있다.
알려진 다른 고강도 유리 조성물이 미국 특허 출원 제 11/267,739 호 (발명의 명칭: "고성능 유리용 조성물, 고성능 유리 섬유 및 이로부터 만들어진 물건") (미국 특허 출원 공보 제 2008/0009403 호) 에 개시되어 있다.
R-Glass 및 S-Glass 는 모두 백금이 라이닝 처리된 용융 수용부에서 조성물의 구성성분을 용융시킴으로써 생성된다. 상기 용융장치에서 섬유를 생성하는 비용 때문에 R-Glass 및 S-Glass 섬유를 성형하는 비용은 E-Glass 섬유보다 상당히 높다. 따라서, 백금 또는 다른 귀금속 재료를 실질적으로 사용하지 않는 용광로 (furnace) 에서 직접 용융 공정으로부터 고성능의 유리 섬유를 형성하기에 유용한 유리 조성물을 성형하는 방법, 및 상기 방법으로부터 성형되는 제품에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 백금 또는 다른 귀금속 재료가 실질적으로 사용되지 않는 유리 용융장치를 이용하여 가공 전 유리 원료조합물 (raw glass batch) 로부터 정제된 유리를 생성하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 가공 전 유리 원료조합물을 유리 용융장치의 용융 구역으로 충전하는 단계, 용융 구역에서 가공 전 유리 원료조합물을 용융시키는 단계, 및 상기 용융물로부터 연속 섬유를 성형하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 방법에 의해 성형되는 섬유를 포함하고, 상기 섬유로부터 만들어지는 제품을 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명은 용광로, 전로, 및 부싱을 구비한 연속 시스템에서 고강도 유리 섬유를 성형하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 유리 원료조합물 (glass batch) 을 수용하고 용융된 유리를 배출하는 유리 용융 용광로를 제공하는 단계, 및 용광로 유리 접촉면을 형성하기 위하여 귀금속 재료를 실질적으로 포함되지 않는 재료로 용광로의 적어도 일부를 라이닝 처리하는 단계를 포함한다. 유리 원료조합물이 용광로에 공급되고, 상기 유리 원료조합물은 45 ℉ (25 ℃) 이상의 섬유화 ΔT 를 가진 섬유화 가능한 용용 유리를 형성할 수 있고, 약 50 내지 약 75 중량%의 SiO2; 약 15 내지 약 30 중량%의 Al2O3; 약 5 내지 약 20 중량%의 MgO; 약 0 내지 약 10 중량%의 CaO; 및 약 0 내지 약 5 중량%의 R2O (이때, R2O는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합과 동일함) 를 포함하는 구성을 하는 유리 섬유를 생성한다. 유리 원료조합물은 산소-연료 버너 등의 용광로 열원으로부터 열을 가함으로써 용광로에서 용융되어서, 용광로 유리 접촉면과 접촉하는 용융된 유리 풀 (pool) 을 형성한다. 용융된 유리를 용광로에서부터 부싱으로 전달하기 위해 전로가 제공되고, 전로의 적어도 일부는 전로 유리 접촉면을 형성하기 위해 귀금속 재료가 실질적으로 사용되지 않는 재료로 라이닝 처리된다. 열이 전로 열원으로부터 공급되는 동안 용융된 유리가 전로로 이송되고, 전로 유리 접촉면에 의해 형성된 실질적으로 수평인 유동 경로를 따라 전로를 통하여 흐른다. 용융된 유리는 약 2400 ℉ (1316 ℃) 내지 약 2900 ℉ (1593 ℃) 의 온도 및 소정의 점도 (예컨데 약 1000 포이즈) 로 전로로부터 부싱으로 배출되고, 연속 섬유로 성형된다.
본 발명은 연속 유리 섬유를 성형하기 위한 유리 조성물의 제조하는 방법 및 고강도 분야에 사용되기에 적합한 상기 방법으로 만들어진 제품을 포함한다. 본 발명에서 유용한 조성물은 백금 또는 다른 귀금속 재료 또는 이들의 합금을 실질적으로 포함하지 않는 용광로에서 저비용의 직접 용융 방식을 이용하여 저렴하게 유리 섬유로 성형될 수 있다.
본 발명에서 유용한 일 조성물은 64 내지 75 중량%의 SiO2, 16 내지 26 중량%의 Al2O3, 8 내지 12 중량%의 MgO, 및 0 내지 3.0 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 를 포함한다.
본 발명에서 유용한 다른 조성물은 64 내지 75 중량%의 SiO2, 16 내지 24 중량%의 Al2O3, 8 내지 12 중량%의 MgO, 및 0.25 내지 3.0 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 를 포함한다. 일부 실시예에서, 유리 조성물은 64 내지 70 중량%의 SiO2, 17 내지 22 중량%의 Al2O3, 9 내지 12 중량%의 MgO, 및 1.75 내지 3.0 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 로 구성되어 있다. 다른 실시예에서, 본 발명에서 유용한 유리 조성물은 64 내지 70 중량%의 SiO2, 17 내지 22 중량%의 Al2O3, 9 내지 12 중량%의 MgO, 및 1.75 내지 3.0 중량% 의 Li2O 로 구성된다.
본 발명에서 유용한 또 다른 조성물은 50 내지 75 중량%의 SiO2, 13 내지 30 중량%의 Al2O3, 5 내지 20 중량%의 MgO, 0 내지 10 중량%의 CaO, O 내지 5 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 를 포함한다.
일부 예시적 실시예에서, 조성물은 CaO, P2O5, ZnO, ZrO2, SrO, BaO, SO3, F, B2O3, TiO2, Fe2O3, CeO2 및 BeO2 등의 화합물을 약 5.0 중량%를 초과하여 포함하지 않는다. 다른 예시적 실시예에서, 조성물은 추가적인 CeO2 및 BeO2 를 의도적으로 포함하지 않는다. 또 다른 예시적 실시예에서, 조성물은 ZnO, SO3, 불소, B2O3, TiO2, ZrO2 및 Fe2O3 등의 화합물 또는 할로겐을 약 4 중량%를 초과하여 포함하지 않는 것이 바람직하다.
일부 예시적 실시예에서, 본 발명에 의해 제조된 고성능 섬유의 바람직한 특성은 2650 ℉ (1454 ℃) 미만의 섬유화 온도를 포함하고, 또한 바람직하게는 적어도 80 ℉ (44 ℃) 만큼 (더욱 바람직하게는 적어도 약 120 ℉ (67 ℃) 만큼, 또는 가장 바람직하게는 적어도 약 150 ℉ (83 ℃) 만큼) 섬유화 온도보다 낮은 액상선 온도를 포함한다.
다른 예시적 실시예에서, 본 발명에 의해 제작된 고성능 섬유의 바람직한 특성에는 2400 내지 2900 ℉ (1316 내지 1593 ℃) 의 섬유화 온도, 및 적어도 45 ℉ (25 ℃) 만큼 섬유화 온도 이하인 액상선 온도가 포함된다.
또한, 본 발명은 비용을 감소시키고 생산성을 높이는 개선된 구조적 특성을 지닌 구성 부분을 제공한다. 연속 유리 섬유의 직접 용융 성형 과정은 실질적으로 백금 또는 다른 귀금속 재료를 사용하지 않는 유리 용융장치에서 저 비용으로 용융시키는 방법을 이용한다. 본 발명의 고강도 분야에서 사용되는 유리 섬유의 상대적으로 낮은 섬유화 온도에 의하여 저 비용으로 개선된 섬유 공정이 가능하게 된다. 본 발명의 제품은 일반적으로 압축성형, 적층성형, 스프레이업, 수적법, 프리패브리케이티드 레이업 (프리프레그), 압축성형, 진공백 성형, 압력백 성형, 프레스성형, 트랜스퍼 성형, 진공보조 수지 트랜스퍼 성형, 인발성형, 필라멘트 와인딩, 주조, 오토클래이브 성형, 원심주조 수지 트랜스퍼 및 연속 주조에 의해 성형된다.
본 발명에서 생산되고 사용되는 섬유는 실질적으로 제작 시에 적은 비용이 들고 양호한 강도와 밀도 특성을 가진다. 본 발명에서 사용되는 섬유의 밀도는 2.434 내지 2.520 g/㏄ 사이의 범위, 더욱 바람직하게는 2.434 내지 2.486 g/㏄ 의 범위에 있고, 12.7 MPsi 이상의 측정 모듈러스 및 680 KPsi 이상의 측정 초기 섬유 강도를 가진다.
도 1 은 본 발명의 방법에서 사용되는 유리 용융 용광로의 길이방향 단면도이다.
도 2 는 도 1 의 유리 용융 용광로를 선 2-2 를 따라 취한 단면 평면도이다.
도 3 은 도 1 의 유리 용융 용광로를 선 3-3 을 따라 취한 단면도로서, 용광로의 상류 단부 벽부에 인접한 두 개의 버너를 도시한다.
도 4 는 도 1 의 유리 용융 용광로를 선 3-3 을 따라 취한 다른 단면 평면도로서, 용광로의 상부 단부 벽부에 인접한 하나의 버너를 도시한다.
도 5 는 본 발명의 방법에 사용되는 연속 유리 필라멘트를 만들기 위한 부싱 조립체/지지 구조 구성부에 관한 일부의 단면을 보여주는 측면도이다.
도 6 은 용융된 유리를 유리 용융 용광로로부터 부싱 조립체/지지부로 이송하기 위한 본 발명의 방법에서 사용되는 예시적 전로의 단면에 대한 상면도이다.
도 7 은 본 발명의 방법에 사용되는 다른 예시적 전로의 단면을 나타내는 측입면도이다.
본 발명의 특정 실시예를 일부 참조하여 본 발명에 대하여 설명한다. 본 발명은 여러 다른 형태로 실시될 수 있으며, 이하 기술된 실시예에 제한되도록 해석되어서는 안된다. 오히려, 이러한 실시예는 본 개시를 전체적으로 완전하게 할 목적으로 제공되고, 당업자에게 본 발명의 범위를 완벽히 전달할 수 있을 것이다.
별도로 정의되지 않는 한, 이하 사용되는 모든 기술적 과학적 용어는 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 같은 의미를 가진다. 본 발명의 본 설명에서 사용되는 명명법은 특정 실시예를 설명하기 위한 목적일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하는 의도는 아니다. 본 발명의 설명 및 첨부된 청구항에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태의 명사는 문맥상 달리 명확하게 지칭되지 않는 이상 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 해석된다.
달리 정해지지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 구성성분의 양, 분자량 등의 특성, 반응 조건 등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에 있어서 "약" 이라는 용어로 한정되는 것으로 간주된다. 따라서, 달리 지칭되지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 기재된 숫자와 관련된 특성은 본 발명의 실시예에 따라 적정한 소정의 특성에 기초하여 변할 수 있는 대략의 값이다. 본 발명의 넓은 범위를 정하는 숫자와 관련된 범위 및 파라미터는 대략의 값임에도 불구하고, 특정 예에서 설정된 숫자와 관련되 값은 가능한한 정확한 것으로 제시된다. 그러나, 임의의 숫자와 관련된 값은 각각의 측정치에서 발견되는 오차에 필수적으로 기인하는 일정한 오차를 어쩔 수 없이 포함할 수 밖에 없다.
본 발명의 유리 섬유를 성형하기 위해 사용되는 유리 조성물의 섬유화 특성은 섬유화 온도, 액상선, 델타-T 를 포함한다. 이하 달리 정의되지 않는 한, 섬유화 온도는 1000 포이즈 (로그 3 온도) 의 점도에 대응하는 온도로 정의된다. 본 기술의 당업자라면 다른 섬유화 온도가 정의될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예컨데 섬유화 온도는 점도가 316 포이즈 (로그 2.5 온도) 에 대응하는 온도로 정의될 수 있다.
이하 상세히 설명하는 바와 같이, 일부 실시예에서 낮아진 섬유화 온도에 의하여 섬유의 제작 비용을 줄이고, 부싱 수명을 연장시킬 수 있고, 처리량을 증기시키고, 백금 또는 다른 귀금속 재료를 실질적으로 사용하지 않은 용융장치에서 유리를 용융시킬 수 있고, 에너지 사용량을 줄일 수 있게 된다. 예를 들어, 감소된 섬유화 온도에서, 부싱은 더욱 냉각된 온도에서 작동하며 "늘어짐(sag)"이 빠른 속도로 발생하지 않는다. 늘어짐은 장시간 동안 상승된 온도에서 유지된 부싱에서 발생하는 현상이다. 섬유화 온도를 낮춤으로써, 부싱의 늘어짐율이 낮아질 수 있고, 부싱 수명이 길어질 수 있다. 또한, 낮은 섬유화 온도에 의하여 처리량이 더 높아질 수 있는데, 이는 주어진 시간 및 주어진 에너지 공급에 대하여 더 많은 유리가 용융될 수 있기 때문이다. 그 결과, 생산 단가가 낮아진다. 또한, 낮은 섬유화 온도에 의하여, 본 발명의 방법 및 조성물에 의해 성형된 유리가 내화 라이닝 처리된 용융장치, 또는 외부가 냉각된 벽부를 구비한 용융장치에서 용융될 수 있게 되는데, 용융 및 섬유화 온도 모두가, 외부 냉각이 가해질 때, 상업적으로 이용가능한 많은 내화물 또는 다른 재료의 상부 사용 온도 이하이기 때문이다.
액상선은 액상 유리 및 초기 결정 상태 사이에 평형이 존재하는 가장 높은 온도로 정의된다. 액상선 이상의 모든 온도에서, 유리는 그 초기 상태에서 결정을 포함하지 않는다. 액상선 이하의 온도에서, 결정이 형성될 수 있다.
다른 섬유화 특성은 델타-T (ΔT) 이며, 이는 섬유화 온도 및 액상선 사이의 차이로 정의된다. 큰 ΔT 는 유리 섬유의 성형 중에 더욱 큰 정도의 가요성을 제공하고, 용융 및 섬유화 동안에 유리의 실투 (즉, 용융물 내에 결정이 형성되는 현상) 를 방지하는데 도움을 준다. 또한, ΔT 를 증가시키는 것은 부싱의 수명을 더욱 연장시킴으로써, 그리고 섬유를 성형하기 위한 가공 윈도우를 더욱 넓게 함으로써, 유리 섬유의 생산 비용을 줄이도록 한다.
반대로, 높은 섬유화 온도 및/또는 작은 ΔT 는 섬유 성형 과정이 쉽지 않음을 의미하고, 온도의 변화, 냉점 및 서행 이동하는 유리에 더욱 민감하게 영향을 받는다는 것을 의미한다.
본 발명에 이용되는 유리 조성물은 백금 또는 다른 귀금속 재료, 및 이들의 합금 등을 실질적으로 사용하지 않은 용광로 또는 유리 용융장치, 예컨데 기존의 상업적으로 이용가능한 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치 및 외부에서 냉각된 벽부 (예컨데 수냉되는 벽부) 로 라이닝 처리된 상업적으로 이용가능한 유리 용융장치 등에서 용융을 위해 유리하게 사용되기에 적합하다.
일반적으로 최초의 원료조합물 구성요소는 Si02 (지중 규사), Al2O3 (하소 알루미나), Li2CO3 (탄산 리튬), H3BO3 (붕산), NaCaB5O9·8H2O (울렉사이트), 및 2CaO-3B2O3-5H2O (코레마나이트) 를 포함하고, 또한 MgCO3 (마그네사이트), CaCO3 (석회암), SrCO3 (스토론티어나이트), BaCO3 (위더라이트), ZrSiO4 (지르콘), 및 Na2CO3 (나트라이트) 등의 원재료로부터 결합 변경체를 포함한다. 본 발명의 기술분야의 당업자라면 다른 초기 재료가 사용될 수 있다라는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 적절한 초기 원료조합물 구성요소의 추가적인 예에는 카올리나이트 (Al2Si2O5(OH)4), 파이로필라이트 (Al2Si4O10(OH)2), 보크사이트 (AlO(OH)), 울러스터나이트 (CaSiO3), 스포듀민 (LiAlSi2O6), 펠드스파 (CaAl2Si208), 돌로마이트 (CaMg(CO2)2), 석회 (CaO), 백운 생석회 (CaMgO2), 및 수화 석회 (Ca(OH)2) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
[유리 용융 용광로]
도 1 내지 4 는 본 명세서에서 설명되고 이하 실시예 및 청구범위에 기재된 유리 섬유를 성형하는 방법에 유용한 유리 용융 용광로 (10) 를 도시한다. 또한, 미국 특허 제 7,509,819 호 (발명의 명칭: 유리 성형 작업을 위한 산소 점화 프런트 엔드; 발명자: 베이커 데이비드 제이 등) 에 개시된 바와 같이, 용융 용광로 내에서 산소 점화된 가열 방법을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 유리 용융 용광로 (10) 는 용융된 유리를 유리 전로 (12) 로 제공한다.
일 실시예에서, 용융된 유리는 50 내지 75 중량%의 SiO2, 13 내지 30 중량%의 Al2O3, 5 내지 20 중량%의 MgO, 0 내지 10 중량%의 CaO, 0 내지 5 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 으로 구성된다. 상기 예시적 실시예는 높은 섬유화 온도 (예컨데 2400 ∼ 2900 ℉ (1316 ∼ 1593 ℃)) 및/또는 섬유화 온도보다 적어도 45 ℉ (25 ℃) 만큼 낮은 액상선 온도를 가진 유리 조성물을 포함한다.
다른 예시적 실시예에서, 용융된 유리는 약 64 내지 75 중량% SiO2, 16 내지 26 중량%의 Al2O3, 8 내지 12 중량%의 MgO, 및 0 내지 3.0 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 로 구성된다.
또 다른 예시적 실시예에서, 용융된 유리는 약 64 내지 75 중량%의 SiO2, 16 내지 24 중량%의 Al2O3, 8 내지 12 중량%의 MgO, 및 0.25 내지 3.0 중량%의 R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 로 구성된다. 본 예시적 실시예의 방법에 따라 성형된 섬유는 2650 ℉ (1454 ℃) 를 넘지 않는 섬유화 온도를 가질 것이고, 일부 실시예에서는 약 2625 ℉ (1458 ℃) 를 넘지 않는 섬유화 온도를 가질 것이며, 다른 실시예에서는 약 2600 ℉ (1427 ℃) 를 넘지 않는 섬유화 온도를 가질 것이고, 다른 일부 실시예에서는 약 2575 ℉ (1413 ℃) 를 넘지 않는 섬유화 온도를 가질 것이고, 또한 일부 실시예에서는 섬유화 온도보다 적어도 80 ℉ (44 ℃) 만큼 낮은, 다른 실시예에서는 적어도 120 ℉ (67 ℃) 만큼 낮은, 또 다른 실시예에서는 적어도 150 ℉ (83 ℃) 만큼 낮은 액상선 온도를 가질 것이다.
또 다른 예시적 실시예에서, 용융된 유리는 50 내지 75 중량%의 SiO2, 13 내지 30 중량%의 Al2O3, 5 내지 20 중량%의 MgO, 0 내지 10 중량%의 CaO, 0 내지 5 중량% R2O (이때, R2O 는 Li2O, Na2O 및 K2O 의 합) 으로 구성된다. 상기 예시적 실시예는 로그 3 섬유화 온도 (즉 -122 ℉ (-68 ℃) 등의 음의 ΔT) 이상의 액상선 온도를 가진 유리 조성물을 포함한다. 이러한 조성물은 높은 온도, 예컨데 316 포이즈의 점도에 대응하는 로그 2.5 섬유화 온도에서 섬유화될 수 있다.
일부 예시적 실시예에서, 조성물은 CaO, P2O5, ZnO, ZrO2, SrO, BaO, SO3, 불소, B2O3, TiO2, Fe2O3, K2O, CeO2 및 BeO2 등의 화합물 또는 산화물을 약 5.0 중량%를 초과하여 포함하지 않는다. 다른 예시적 실시예에서, 조성물은 의도적으로 추가된 CeO2 및 BeO2 를 포함하지 않는다.
본 발명에서 생성되고 사용되는 섬유는 실질적으로 덜 비싸게 만들 수 있고, 또한 양호한 강도와 밀도 특성을 가진다. 본 발명에서 사용되는 섬유의 밀도는 2.434 내지 2.520 g/㏄ 사이의 범위, 더욱 바람직하게는 2.434 내지 2.486 g/㏄ 사이의 범위에 있다. 또한, 일부 실시예에서, 본 발명의 유리 섬유는 680 KPSI 를 초과하는 초기 섬유 강도를 가질 것이고, 다른 일부 실시예에서는 약 700 KPSI 를 초과하는 강도를, 또 다른 실시예에서는 약 730 KPSI 를 초과하는 강도를 가질 것이다. 또한, 유리 섬유는 12.0 MPSI 보다 큰 모듈러스를 유리하게 가질 것이며, 일부 실시예에서는 약 12.18 MPSI 보다 큰 모듈러스, 다른 일부 실시예에서는 약 12.7 MPSI 보다 큰 모듈러스를 가질 것이다.
본 발명의 방법은 유리 용융 용광로 (10) 를 사용하여 실시되는 것이 바람직하고, 유리 용융 용광로 (10) 는 상류 단부 벽부 (14), 하류 단부 벽부 (16), 측벽부 (18), 바닥부 (20), 천장부 (22) 를 구비한 기다란 채널을 포함한다. 유리 용융 용광로 (10) 의 각각의 구성요소는 그 표면이 용융된 유리와 접촉하는 적절한 내화성 재료로 만들어지고, 적절한 내화성 재료로는 예컨데 알루미나, 산화크롬, 실리카, 알루미나-실리카, 지르콘, 지르코니아-알루미나-실리카, 또는 산화물 기반 내화성 재료 등이 있다. 천장부 (22) 는 전체적으로 채널 구성의 길이방향 축선을 가로지르는 아치형상을 하고 있는 것으로 도시되어 있지만, 다른 임의의 구성을 할 수도 있다. 일반적으로 천장부 (22) 는 유리 원료조합물 (30) 의 표면 위로 약 3 내지 10 피트 사이에 위치된다. 유리 원료조합물 (30) 은 본 발명에 따른 유리 제조에 사용되는 원재료의 혼합물이다.
유리 용융 용광로 (10) 는 선택적으로 하나 이상의 버블러 (24) 및/또는 전기 부스트 전극 (도면에 미 도시) 을 포함할 수 있다. 버블러 (24) 및/또는 전기 부스트 전극은 벌크 유리의 온도를 상승시키고, 원료조합물 커버 아래의 용융된 유리 순환을 증가시킨다.
버블러 (24) 및/또는 전기 부스트 전극은 제 2 및 제 3 예시적 실시예에서 특히 유용하다. 제 2 및 제 3 예시적 실시예에는 높은 섬유화 온도, 예컨데 2400 ∼ 2900 ℉ (1316 ∼ 1593 ℃) 의 섬유화 온도, 및/또는 낮은 ΔT, 예컨데 45 ℃ (25 ℉) 만큼 낮은 ΔT, 혹은 심지어 -122 ℉ (-68 ℃) 등의 음의 ΔT (실투의 가능성이 높아지는 상태) 를 가지는 유리 조성물이 포함된다.
또한, 유리 용융 용광로 (10) 는 두 개의 연속된 구역, 즉 상류 용융 구역 (26) 및 하류 정제 구역 (28) 을 포함할 수 있다. 용융 구역 (26) 에서, 유리 원료조합 조성물 (30) 은 기술분야에서 알려진 종류의 충전 장치 (32) 를 사용하여 용광로에 충전될 수 있다.
적절한 일 용융장치 구성에서, 유리 원료조합물 재료 (30) 는 유리 용융 용광로 (10) 의 용융 구역 (26) 에서 용융된 유리의 표면에 고체 입자의 원료조합물 층을 형성한다. 유리 원료조합 조성물 (30) 의 표류하는 고체 원료조합물 입자는 적어도 하나의 버너 (34) 에 의해 적어도 부분적으로 용융되고, 버너 (34) 는 유리 용융 용광로 (10) 의 천장부 (22) 내에 설치되어 있고, 제어된 화염 형상 및 길이를 갖는다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 바람직한 일 실시예에서, 유리 용융 용광로 (10) 는 세 개의 버너 (34) 를 포함한다. 버너 (34) 중 하나는 인접하여 배치된 두 개의 하류 버너 (34) 의 상류에 위치된다. 그러나, 유리 원료조합물 (30) 을 용융시키기 위하여 원료조합물 위로 용광로 (10) 의 천장부 (22) 에서 임의의 적절한 위치에 임의의 개수의 버너 (34) 가 배치될 수 있다는 것은 자명한 사항이다. 예를 들어, 두 개의 버너 (34) 가 나란히 배열된 구성 (도 3 참조) 으로 배치되거나, 단일의 버너 (도 4 참조) 가 사용될 수도 있다.
주목할 점은, 유리 용융 용광로 (10) 의 버너 (34) 는 용광로의 꼭대기 (천장부), 측벽부, 단부 벽부에 배치되거나, 원료조합물 또는 용융 유리 내부에 잠겨있거나, 이들의 조합으로 배치될 수 있다는 것이다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 용융장치가 사용될 수도 있다. 적절한 용융장치에는 공기가스 용융장치, 산소가스 용융장치, 전기가열 용융장치, 또는 임의의 화석연료 점화 용융장치 등이 있다. 임의의 용융 과정에 전기 부스트 또는 버블러를 부가하는 것이 가능하다. 또한, 별도의 정제 구역 (도 1 참조) 을 포함하거나, 정제 구역을 용융장치의 메인 탱크로 포함시키는 것도 가능하다.
[전로 구성]
전로는 유리 용융 용광로로부터 배출된 용융된 유리를 수용하고 용융된 유리를 이송하여, 용융된 유리를 적절한 상태로 성형 위치로 배출한다. 전로의 구성요소는, 특히 표면이 용융된 유리와 접촉할 수 있도록, 알루미나, 산화크롬, 실리카, 알루미나-실리카, 지르콘, 지르코니아-알루미나-실리카, 또는 유사한 산화물 기반 내화성 재료 등의 적절한 내화성 재료로 라이닝 처리될 수 있다. 바람직하게는 상기 전로 유리 접촉면이 산화크롬 재료, 지르콘 또는 이들의 조합으로 라이닝 처리된다.
2650 ℉ (1454 ℃) 미만의 섬유화 온도 및 섬유화 온도보다 적어도 80 ℉ (44 ℃) 만큼 낮은 액상화 온도를 가진 조성물에 대하여, 종래의 전로가 사용될 수 있다.
높은 섬유화 온도 및/또는 낮은 ΔT 를 가진 다른 조성물에 대하여, 용융된 유리에서 등온선 조건을 향상시켜서 실투를 방지하기 위하여 다른 전로 구성도 유용할 수 있다. 예를 들어, 얕은 깊이 (D), 예컨데 약 8 인치 미만, 바람직하게는 약 3.5 인치 미만의 깊이로 전로를 통하여 용융 유리를 이송함으로써 용융 유리의 전체에 걸쳐 복사에 의한 열전달이 향상될 것이다. 이러한 점에서, 설치된 산소-연료 점화 버너가 전로 열원으로서 특히 유용하다. 일반적인 산소-연료 점화 시스템이 영국의 BH-F (엔지니어링) 에 의해 공급된다. 본 명세서에서 정의된 바와 같이, 산소-연료 점화 버너는 공기 연료 버너에서 사용되는 주변 공기 대신에 산화제로서 높은 순도의 산소 (예컨데 질소 및 아르곤의 조합인 불순물을 함유하는 일반적으로 90 내지 99 %의 순도의 산소) 및 연소가능한 탄화수소 공급을 위한 화선 연료를 사용하는 버너이지만, 산소가 풍부한 공기 (예컨데 30 내지 90 %의 순도) 를 사용하는 버너를 포함할 수도 있다. 산소 가스 버너의 화염 온도는 약 4200 내지 약 5200 ℉ (약 2315 내지 약 2871 ℃) 이다. 이 온도에서, 화염 및 연소 생성물은 용융 유리가 흡수할 수 있는 파장으로 에너지를 방사한다. 이에 의하여, 용융 유리의 표면에서 수평방향으로, 그리고 용융된 유리에 걸쳐 수직방향으로 유리 온도를 일정하게 할 수 있다.
또한, 공기 연료 버너가, 특히 매우 조밀한 간격, 예컨데 4 인치 간격으로 설치될 경우에, 전로 열원으로서 사용될 수도 있다.
본 발명에서 사용되는 예시적인 전로 구성이 도 6 및 도 7 에 도시되어 있다. 전로 (322A) 는 용융된 물질 (예컨데 용융된 유리 (G)) 을 유리 용융 용광로로부터 생산 지점 (즉, 후술하는 바와 같은 성형 위치) 으로 전달하도록 구성된다. 용융 유리 (G) 는 전로 (322A) 의 상부와 접촉하지 않는다. 따라서, 이 부분은 비교적 저렴한 내화성 재료 (즉, 실리카, 멀라이트, 또는 용융 유리 (G) 의 부식 효과를 견딜 필요가 없는 기타 재료 등의 상부 구조 내화성 재료) 로 구성될 수 있다.
전로 (322A) 의 하부는 유리 레벨 (L) 아래에 있으며, 따라서 용융 유리 (G) 와 접촉하게 되는 유리 접촉면을 형성한다. 따라서, 전로 (322A) 의 이 부분은 더 비싼 유리 접촉 재료로 만들어진다. 세라믹 내화성 재료 (즉, 지르콘, 산화크롬, 또는 다른 적절한 재료) 가 적절한 유리 접촉 내화성 재료가 될 수 있으며, 이는 상기 재료가 용융된 유리 (G) 의 부식 효과를 견딜 수 있기 때문이다.
전로 (322A) 는 상부 (즉, 천장부) (도면에 미 도시), 바닥부 (도면에 미 도시), 및 측벽부 (328A) 를 포함할 수 있다. 전로 (322A) 는 상류 단부 (전체적으로 330A 로 지칭) 및 하류 단부 (전체적으로 332A 로 지칭) 를 가지고 있다. 개방 단부 (334) 는 전로 (322A) 의 하류 단부 (332A) 에 제공될 수 있다. 단부 벽부 (336A) 는 전로 (322A) 의 상류 단부 (330A) 에 제공될 수 있다. 하나 이상의 유리 오리피스 (338) 가 단부 벽부 (336A) 의 부근에서 (이에 인접하거나 가까이에서) 전로 (322A) 의 바닥부에 제공될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전단부의 전로는 바닥부에 유리 오리피스 (338) 및 단부 벽부 (336A) 를 구비한 전로 (322A) 의 부분을 가리킨다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 산소-연료 버너 등의 전로 버너 (344) 가 유리 레벨 (L) 위에 위치된다. 전로 버너 (344) 는 표면 (340) 에 직교하는 평면 (예컨데, 실질적으로 수평면) 에서 표면 (340) 에 대하여 예각을 형성하며 배향된다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 전로 버너 (344) 는 표면 (340) 에 대하여 약 5 도 내지 약 85 도 사이의 각도로 전로 (322A) 의 하류 단부 (332A) 를 향하여 배치된다. 전로 버너 (344) 는 틀어져서 지그재그로 설치되거나 교대로 이격되어 설치되어서, 마주하는 측벽부 (328A) 의 마주하는 전로 버너 (344) 가 측방향으로 오프셋되어 있어서 서로에 대하여 측방향으로 정렬되지 않는다 (즉, 도 6 에서 보았을 때 수직으로 정렬되지 않음).
산소-연료 버너의 화염 온도는 약 4200 ∼ 5200 ℉ 이다. 그러나, 화염은 매우 작은 것이 바람직하다. 따라서, 화염은 측벽부 (328A) 와 직접적으로 접촉하지 않는다. 그러나, 화염으로부터의 상당량의 열이 방사된다. 화염이 측벽부 (328A) 와 직접 접촉하지는 않더라도, 측벽부 (328A) 는 대류 또는 화염으로부터 방사되는 열에 의해 충분히 가열된다. 이러한 복사 열은 용융된 유리 (G) 에 적절히 영향을 미치기에 충분하며, 과도하게 높은 온도에 전로 (322A) 를 노출시킴으로발생할 수 있는 전로 (322A) 의 일체성에 대한 손상을 일으키지 않으면서 소정의 온도에서 용융 유리 (G) 를 유지하기에도 충분하다. 이러한 효과는 버너 (344) 가 약 1 피트 내지 약 5 피트 정도로 서로 이격되어 배치된 경우에도 보장된다.
한편, 다른 전로 버너의 구성을 이용하는 것이 가능하며 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 자명하다. 예를 들어, 다른 예시적 버너 구성이 도 7 에 도시되어 있다. 전로 버너 (344) 는 표면 (346) 에 수직인 평면 (예컨데 실질적으로 수직인 면) 에서 표면 (346) 에 대하여 예각으로 배향되어 있다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 전로 버너 (344) 는 표면 (346) 에 대하여 약 5 도 내지 약 85 도 사이의 각도로 채널 (322C) 의 상류 단부 (330C) 를 가리키도록 배향될 수 있다. 대안적으로, 전로 버너 (344) 는 표면 (346) 에 대하여 약 95 도 내지 약 175 도 사이의 각도로 채널 (322C) 의 하류 단부 (332C) 를 향하여 가리키도록 배향될 수 있다.
주목할 점은, 버너가 전로의 꼭대기 (천장부), 측벽부, 단부 벽부에 배치되거나, 원료조합물 또는 용융된 유리 내부에 잠겨 있거나, 이들의 조합으로 배치될 수 있다는 것이다.
[부싱 조립체]
도 5 에 도시된 바와 같이, 부싱 조립체 (100) 는 부싱 (110) 및 부싱 프레임 (210) 을 포함한다. 부싱 (110) 은 측벽부 (122) 및 측벽부 (122) 사이에서 뻗어있는 단부 플레이트 (124) 를 구비한 부싱 메인보디 (120) 를 포함한다. 메인보디 (120) 는 부싱 블록 (300) 아래에 위치되어 있고, 부싱 블록 (300) 은 전로 (310) 아래에 배치되어 있다. 본 발명의 방법을 실시할 때, 용융된 유리의 흐름은 전로 (310) 로부터 메인보디 (120) 에 의해 수용된다. 전로 (310) 는 용융장치 (10) 로부터 용융 유리를 수용한다 (도 1 참조). 전달 채널 (40) 은 용융장치 (10) 및 전로 (310) 사이에 위치되어서 용융 유리 원료조합 조성물 (30) 을 용융장치 (10) 로부터 전로 (310) 로 전달한다. 전로 (310) 및 부싱 블록 (300) 은 종래의 구성일 수 있고, 내화성 재료로부터 형성될 수 있다.
단부 플레이트 (124) 는 복수의 용융 유리의 흐름이 배출될 수 있도록 복수의 노즐 (124a) (또는 오리피스로 지칭됨) 을 포함한다. 용융 재료의 흐름은 단부 플레이트 (124) 로부터 기계적으로 인발되어서, 와인더 또는 쵸퍼 또는 다른 감쇠 수단 등의 종래의 와인더 장치 (400) 를 통하여 연속된 필라멘트 (125) 를 성형/형성할 수 있다. 필라멘트 (125) 는 사이즈 도포장치 (410) 로부터 사이즈 조성물의 보호 코팅을 수용한 후에 단일 또는 복수의 연속 스트랜드 (125a) 로 모아질 수 있다. 연속 스트랜드 (125a) 는 패키지 (125a) 를 형성하기 위하여 와인더 장치 (400) 의 회전 콜릿 (402) 상으로 권취될 수 있다. 연속 필라멘트 (125) 는 또한 다른 소정의 복합 유리 재료로 가공될 수 있으며, 상기 복합 유리 재료에는 습식용 촙드 (chopped) 스트랜드 섬유, 건식용 촙드 스트랜드 섬유, 연속 필라멘트 매트, 촙드 스트랜드 매트, 습식 성형 매트, 또는 에어레이드 매트 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 고강도 제품은 전술한 바와 같이 성형된 섬유를 고분자 복합 재료 내부에 유리 섬유 강화재로서 사용한다. 일반적인 복합 재료는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스테르, 및 폴리에스테르를 포함한다. 제품은 임의의 적절한 제조 기술에 의해 성형될 수 있고, 적절한 제조 기술에는 압축성형, 적층성형, 스프레이업, 수적법, 프리패브리케이티드 레이업 (프리프레그), 압축성형, 진공백 성형, 압력백 성형, 프레스성형, 트랜스퍼 성형, 진공보조 수지 트랜스퍼 성형, 인발성형, 필라멘트 와인딩, 주조, 오토클래이브 성형, 원심주조 수지 트랜스퍼 및 연속 주조 등이 있다.
본 발명을 전체적으로 설명한 것과 아울러, 이하 제시된 임의의 특정한 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 더 이해할 수 있으며, 하기 실시예는 설명의 목적으로만 제공되는 것일 뿐, 달리 명시되지 않는 한 본 발명을 국한시키거나 제한하려는 목적이 아니다.
[예]
표 1 ~ 3 에 나열된 예에서의 유리는, 유리 및 유리로부터 생성된 섬유의 기계적 물리적 특성을 결정하기 위하여 백금이 라이닝 처리된 연속 용융장치에서 또는 백금 도가니에서 용융되었다. 물리적 특성에 대한 측정값의 단위는 점도 (℉), 액상선 온도 (℉), 및 ΔT (℉) 이다. 일부 예에서, 유리가 섬유화되었고, 강도 (KPsi), 밀도 (g/㏄) 및 모듈러스 (MPsi) 가 측정되었다.
섬유화 온도는 회전 스핀들 점도계를 사용하여 측정되었다. 섬유화 점도는 1000 포이즈로 정의된다. 액상선은 유리로 가득찬 백금 수용부를 열 경사 용광로에 16 시간 동안 위치시킴으로써 측정된다. 결정이 존재하는 최고 온도가 액상선 온도로 간주된다. 모듈러스는 유리의 단일 섬유에 대하여 음파 기술을 이용하여 측정되었다. 인장 강도는 최초의 단일 섬유 상에서 측정되었다.
Figure 112011056049673-pct00001
Figure 112011056049673-pct00002
Figure 112011056049673-pct00003
본 발명에서 유용한 조성물은 또한 Na2O, CaO 및 B2O3 등의 결합 변경체를 포함한다. 이러한 조성물이 표 4 에 표시된다.
Figure 112011056049673-pct00004
본 발명에 의해 생산된 섬유는 우수한 모듈러스 및 강도 특성을 가진다. 예 1 의 섬유는 12.71 MPsi 의 측정 모듈러스 및 688 KPsi 의 측정 강도를 가진다. 예 3 의 섬유는 12,96 MPsi 의 측정 모듈러스 및 737 KPsi 의 측정 강도를 가진다. 예 17 의 섬유는 12,75 MPsi 의 측정 모듈러스 및 734 KPsi 의 측정 강도를 가진다.
본 발명의 기술분야에서 인지되는 바와 같이, 상기 예시적인 발명의 조성물은 열거된 구성요소의 합이 항상 100% 되는 것은 아닌데, 이는 통계학 규칙 (예컨데 반올림 및 평균화) 및 일부 조성물은 열거되지 않은 불순물을 포함할 수 있다는 점 때문이다. 물론, 임의의 불순물을 포함하여 모든 구성요소의 실제 양은 항상 그 합이 100% 이다. 또한, 주목할 사항은, 적은 양의 구성요소가 조성물에서 명시되어 있는 경우, 예컨데 약 0.05 중량% 이하의 양인 경우에, 이러한 구성요소는 의도적으로 첨가된 것이 아니라 원재료에 존재하는 미량의 불순물의 형태로 존재할 수 있다.
또한, 예컨데 공정을 촉진하기 위하여, 이후에 제거될 구성요소를 원료조합 조성물에 추가할 수 있으며, 이로써 그러한 구성요소가 필수적으로 존재하지 않는 유리 조성물을 성형할 수 있게 된다. 따라서, 예를 들어 불소 및 황산염 등의 미량의 구성요소가, 본 발명의 상업적인 실시에서 실리카, 리티아, 알루미나 및 마그네시아 구성요소를 제공하는 원재료에 미량의 불순물로서 존재할 수 있고, 또는 상기 미량의 구성요소는 제조 공정 중에 필수적으로 사라지는 공정 보조물일 수 있다.
전술한 예로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에서 유용한 일부 유리 섬유 조성물은, 낮은 섬유화 온도 및 액상화 온도와 섬유화 온도 사이의 큰 편차 (높은 ΔT 값) 등의 유리한 특성을 가진다. 본 발명의 다른 장점 및 명백한 변경 사항은 전술한 설명 및 본 발명의 실시를 통하여 당업자가 쉽게 알 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 본 발명에 의해 생산된 고성능 유리는 비교적 낮은 온도에서 용융 및 정제되고, 넓은 범위의 비교적 낮은 온도에 걸쳐 실시가능한 점도를 가지고 있고, 낮은 액상선 온도 범위를 가지고 있다.
다른 실시예에서, 본 발명에 의해 생산된 고성능 유리는 비교적 높은 온도에서 용융 및 정제되고, 비교적 작은 온도 범위에 걸쳐 실시가능한 점도를 가지고 있다.
본 특허출원에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 일반적으로 설명되었다. 본 발명이 바람직한 실시예로 생각되는 것을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 당업자에게 알려진 다양한 범위의 대안적인 실시예가 상기 일반적인 개시 내에서 선택될 수 있다. 본 발명의 다른 장점 및 명백한 변경사항은 전술한 설명 및 본 발명의 실시를 통하여 당업자가 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 기재를 제외하고는 다른 방식으로 제한되지 않는다.

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  22. 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치에서 가공 전 유리 원료조합물 (raw glass batch) 로부터 유리 섬유를 생성하는 방법으로서,
    가공 전 유리 원료조합물을 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치의 용융 구역에 충전하는 단계;
    섬유화 가능한 용융 유리를 형성하기 위하여 최종 결과물인 유리의 액상선 온도를 초과하는 성형 온도로 유리 원료조합물을 가열하는 단계; 및
    상기 용융 유리를 섬유화하는 단계를 포함하고,
    상기 유리 원료조합물은
    64 내지 75 중량%의 SiO2;
    16 내지 26 중량%의 Al2O3;
    2.0 중량% 이하의 CaO;
    8 내지 12 중량%의 MgO; 및
    0 내지 3 중량%의 R2O (이때, R2O 는 LiO2, Na2O 및 K2O 의 합과 동일) 를 포함하는 방법.
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  26. 제 22 항에 있어서, 유리 원료조합물은 P2O5, ZnO, ZrO2, SrO, BaO, SO3, 불소, B2O3, TiO2, Fe2O3, CeO2 및 BeO2 로 구성된 군으로부터 선택된 화합물을 총 5 중량% 미만으로 포함하는 방법.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 원료조합물로부터 생성된 유리는 2650 ℉ (1454 ℃) 미만의 섬유화 온도, 및 적어도 80 F°(44.44 ℃) 의 섬유화 온도와 액상선 사이의 차이 (ΔT) 를 가지는 방법.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 원료조합물로부터 생성된 유리는 적어도 120 ℉ (66.67 ℃) 의 섬유화 온도와 액상선 사이의 차이 (ΔT) 를 가지는 방법.
  29. 제 22 항에 있어서, 유리 용융장치는 산화물 기반 내화성 재료로 라이닝 처리되는 방법.
  30. 제 22 항에 있어서, 유리 용융장치는 알루미나, 실리카, 산화크롬, 알루미나-실리카, 지르콘, 지르코니아-알루미나-실리카, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 내화성 재료로 라이닝 처리되는 방법.
  31. 제 22 항에 있어서, 원료조합물로부터 생성된 유리는 2600 ℉ (1427 ℃) 미만의 성형 온도에서 섬유화되는 방법.
  32. 제 22 항에 있어서, 원료조합물로부터 생성된 유리는 적어도 140 ℉ (77.78 ℃) 의 섬유화 온도와 액상선 사이의 차이 (ΔT) 를 가지는 방법.
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  35. 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치에서 가공 전 유리 성형 재료로부터 유리를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 유리 용융장치는 천장부 (22), 바닥부 및 측벽부 (328A) 를 포함하고, 용융 구역 및 하류 정제 구역 (16) 을 구비한 신장형 채널 (322C) 를 형성하고,
    상기 방법은
    가공 전 유리 원료조합물 (30) 을 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치의 용융 구역으로 충전하는 단계;
    적어도 하나의 버너 (34) 를 유리 용융장치 (10) 의 천장부 (22) 에 제공하는 단계; 및
    섬유화 가능한 용융 유리를 형성하기 위하여 유리 원료조합물을 용융하는 단계를 포함하고,
    상기 유리 원료조합물은
    68 내지 69 중량%의 SiO2;
    20 내지 22 중량%의 Al2O3;
    2.0 중량% 이하의 CaO;
    9 내지 10 중량%의 MgO; 및
    1 내지 3 중량%의 LiO2 를 포함하는 방법.
  36. 가공 전 유리 원료조합물 (30) 을 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치의 용융 구역으로 충전하는 단계;
    섬유화 가능한 용융 유리를 형성하기 위하여 최종 결과물인 유리의 액상선 온도를 초과하는 성형 온도로 유리 원료조합물을 가열하는 단계; 및
    상기 용융 유리를 섬유화하는 단계를 포함하고,
    상기 유리 원료조합물은
    64 내지 75 중량%의 SiO2;
    16 내지 24 중량%의 Al2O3;
    2.0 중량% 이하의 CaO;
    8 내지 12 중량%의 MgO; 및
    0.25 내지 3 중량%의 R2O (이때, R2O 는 LiO2, Na2O 및 K2O 의 합과 동일) 를 포함하는, 공정에서 내화 라이닝 처리된 유리 용융장치 (10) 에서 가공 전 유리 원료조합물로부터 생성된 유리 섬유.
  37. 복합 재료, 및
    제 22 항의 방법에 따라 생성된 유리 원료조합 조성물로부터 성형되는 복수의 유리 섬유
    를 포함하는 고강도 제품.
  38. 삭제
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  40. 제 36 항에 있어서, 유리 섬유는 2.434 ∼ 2.486 g/㏄ 의 밀도를 가지는 유리 섬유.
  41. 제 36 항에 있어서, 유리 섬유는 12.71 ∼ 12.96 MPsi 의 측정 모듈러스를 가지는 유리 섬유.
  42. 제 36 항에 있어서, 유리 섬유는 688 ∼ 737 KPsi 의 측정 강도를 가지는 유리 섬유.
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  47. 제 22 항에 있어서,
    상기 유리 원료조합 조성물로부터 섬유를 성형하는 단계;
    상기 섬유와 복합 재료를 결합하는 단계;
    제품을 성형하는 단계; 및
    상기 복합 재료를 경화시켜, 고강도 복합재료 제품을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  48. 제 47 항에 있어서, 습식용 촙드 스트랜드 섬유, 건식용 촙드 스트랜드 섬유, 연속 필라멘트 매트, 촙드 스트랜드 매트, 습식 성형 매트, 또는 에어레이드 매트로 구성된 군으로부터 선택되는 중간 유리 구조를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  49. 삭제
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  51. 제 47 항에 있어서, 복합 재료는 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르-페놀 수지, 비닐에스테르 수지 및 에폭시 수지, 비스말레이미드, 폴리아미드, 비닐 에스테르 페놀, 에틸렌-아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 공중합체, 교차결합된 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 공중합체 및 아이오노머, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 나일론 또는 아라미드, 변형된 에폭시 수지로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  52. 제 22 항에 있어서,
    상기 조성물에 Li2O 가 1.75 내지 3.0 중량%의 양으로 존재하는 방법.
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