KR20220123429A - 높은 모듈러스를 위한 섬유 유리 조성물 - Google Patents

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오웬스 코닝 인텔렉츄얼 캐피탈 엘엘씨
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Abstract

약 57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 SiO2, 약 20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 Al2O3, 약 8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 MgO, 약 7 중량% 내지 9.0 중량% 의 CaO, 약 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 Li2O, 0.0 중량% 내지 약 1.0 중량% 의 Na2O, 약 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 K2O, 및 0.2 중량% 내지 약 1.5 중량% 의 TiO2 를 포함하는 유리 조성물이 제공된다. 유리 조성물은 약 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가진다. 이러한 응용 분야는 윈드 블레이드 및 항공 우주 구조물을 형성하는데 사용하기 위한 직조 직물을 포함한다.

Description

높은 모듈러스를 위한 섬유 유리 조성물
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020 년 1 월 2 일 출원된 미국 가특허 출원 제 62/956,422 호에 대한 우선권 및 이의 모든 이익을 주장하며, 이의 전체 개시 내용은 본원에서 참고로 완전히 포함된다.
유리 섬유는 통상적으로 "유리 배치" 로 지칭되는 원하는 조성물을 수득하기 위해서 특정한 비율로 조합되는 다양한 원료로부터 제조된다. 이러한 유리 배치는 용융 장치에서 용융될 수 있으며, 용융된 유리는 부싱 또는 오리피스 플레이트를 통해 필라멘트로 인발된다 (생성된 필라멘트는 연속적인 유리 섬유라고도 한다). 이어서, 윤활제, 커플링제 및 필름-형성 결합제 수지를 함유하는 사이징 조성물이 필라멘트에 적용될 수 있다. 사이징이 적용된 후, 섬유는 하나 이상의 스트랜드로 모아지고 패키지로 권취될 수 있거나, 또는 대안적으로 섬유는 습윤 상태에서 절단되어 수집될 수 있다. 이어서, 수집된 절단된 스트랜드는 건조 및 경화되어 건조 절단된 섬유를 형성할 수 있거나, 또는 이들은 습윤 절단된 섬유로서 습윤 상태에서 포장될 수 있다.
유리 배치 및 이로부터 제조된 섬유 유리의 조성은 종종 내부에 함유된 산화물로 표현되며, 이는 통상적으로 SiO2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3, Na2O, K2O, Fe2O3, TiO2, Li2O 등을 포함한다. 이들 산화물의 양을 변화시키거나 또는 유리 배치에서 일부 산화물을 제거함으로써, 수많은 유형의 유리가 제조될 수 있다. 제조될 수 있는 이러한 유리의 예는 R-유리, E-유리, S-유리, A-유리, C-유리 및 ECR-유리를 포함한다. 유리 조성은 유리의 성형 및 제품 특성을 제어한다. 유리 조성물의 다른 특징은 원료 비용 및 환경적 영향을 포함한다.
예를 들어, E-유리는 알루미노보로실리케이트 유리이고, 일반적으로 알칼리-비함유이며, 통상적으로 전기 용도에서 사용된다. E-유리의 한가지 이점은, 이의 액상선 온도가 유리 섬유를 제조하기 위한 작동 온도를 대략 1900 ℉ 내지 2400 ℉ (1038 ℃ 내지 1316 ℃) 로 할 수 있다는 것이다. 인쇄 회로 기판 및 항공 우주 용도에서 사용되는 E-유리 섬유 원사에 대한 ASTM 분류는 조성물을 52 중량% 내지 56 중량% 의 SiO2, 16 중량% 내지 25 중량% 의 CaO, 12 중량% 내지 16 중량% 의 Al2O3, 5 중량% 내지 10 중량% 의 B2O3, 0 중량% 내지 5 중량% 의 MgO, 0 중량% 내지 2 중량% 의 Na2O 및 K2O, 0 중량% 내지 0.8 중량% 의 TiO2, 0.05 중량% 내지 0.4 중량% 의 Fe2O3, 및 0 중량% 내지 1.0 중량% 의 불소로 정의한다.
붕소-비함유 섬유는 상품명 ADVANTEX® (Owens Coming, Toledo, Ohio, USA) 로 판매된다. 전체가 본원에서 참고로 포함되는 미국 특허 제 5,789,329 호에 개시된 것과 같은 붕소-비함유 섬유는 붕소-함유 E-유리에 비해서 작동 온도의 유의한 개선을 제공한다. 붕소-비함유 유리 섬유는 범용 용도에서 사용하기 위한 E-유리 섬유에 대한 ASTM 정의에 해당한다.
R-유리는 E-유리 섬유보다 더 높은 기계적 강도를 갖는 유리 섬유를 생성하는 화학적 조성을 갖는 규소, 알루미늄, 마그네슘 및 칼슘의 산화물로 주로 구성된 유리 계열이다. R-유리는 약 58 중량% 내지 약 60 중량% 의 SiO2, 약 23.5 중량% 내지 약 25.5 중량% 의 Al2O3, 약 14 중량% 내지 약 17 중량% 의 CaO 및 MgO, 및 약 2 중량% 미만의 여러가지 성분을 함유하는 조성물이다. R-유리는 E-유리보다 더 많은 알루미나 및 실리카를 함유하며, 섬유 형성 동안에 더 높은 용융 및 가공 온도를 필요로 한다. 전형적으로, R-유리에 대한 용융 및 가공 온도는 E-유리에 대한 용융 및 가공 온도보다 더 높다. 이러한 가공 온도의 증가는 고가의 백금-라이닝 용융기의 사용을 필요로 한다. 또한, R-유리에서의 성형 온도에 대한 액상선 온도의 근접성은, R-유리가 통상적으로 약 1000 poise 또는 그 근처에서 섬유화되는 E-유리보다 낮은 점도에서 섬유화되는 것을 필요로 한다. 통상적인 1000 poise 점도에서 R-유리의 섬유화는 유리 실투를 초래하며, 이는 공정 중단 및 생산성 감소를 유발할 수 있다.
고성능 유리 섬유는 통상적인 E-유리 섬유에 비해서 더 높은 강도 및 강성을 가진다. 특히, 일부 제품의 경우, 강성은 모델링 및 성능에 중요하다. 예를 들어, 양호한 강성 특성을 갖는 유리 섬유로부터 제조된 풍력 터빈 블레이드와 같은 복합체는 블레이드의 굴곡을 허용 가능한 한도 내에서 유지하면서, 전기 발생 풍력 발전소에서 더 긴 윈드 블레이드를 가능하게 한다. 탄성률 ("영률" 과 교환 가능) 은 섬유 강성의 척도이며, 이는 물질에 가해진 응력과 동일한 물질에 의해 생성된 변형 사이의 관계를 정의한다. 강성 물질은 높은 탄성률을 가지며, 탄성 하중 하에서 약간만 이의 모양이 변화된다. 유연성 물질은 낮은 탄성률을 가지며, 이의 모양이 크게 변화된다.
다양한 유형의 고성능 유리 조성물이 개발되었지만, 이러한 유리 조성물은 종종 탄성률 및 인장 강도를 최대화하려고 시도한다. 그러나, 유리 섬유의 탄성률이 일정 정도 (즉, 92 GPa) 를 초과하여 증가함에 따라, 복합 윈드 블레이드 금형이 길어질 수 있으며, 이는 새로운 금형의 제작을 필요로 한다. 낮은 섬유화 온도를 유지하면서, 현재의 복합 금형과 호환 가능한 적당한 탄성률을 달성하는 것이 유익하고 비용 효율적이다. 약 1,300 ℃ 미만의 섬유화 온도는 현재의 최첨단 물질 및 기술의 대부분을 유리 섬유를 제조하는데 사용 가능하게 하며, 따라서 이미 확립된 제조 자산과의 호환성을 가능하게 한다. 또한, 이미 제조된 다른 유리 조성물과 유사한 섬유화 온도는 성형 기술을 변경하지 않고서, 용광로가 하나의 유리 제조에서 다른 유리 제조로 전환하는 빠른 캠페인을 수행할 수 있게 한다. 더 낮은 섬유화 온도는 에너지 사용 관점에서, 및 또한 백금 휘발화 관점에서 더 좋다. 더 높은 온도에서, 백금은 더 빠르게 휘발되며, 성형 기술의 수명이 단축된다.
풍력 터빈 블레이드 제조사는 윈드 블레이드를 형성하는데 사용되는 금형을 제조하는데 상당한 투자를 한다. 또한, 윈드 블레이드는 너무 커져서, 전체 플랜트가 특정한 크기의 블레이드를 제조하는 것을 중심으로 구축된다. 목표는 일반적으로 더 긴 블레이드를 제조할 수 있도록 유리 섬유의 모듈러스를 계속 증가시키는 것이지만, 이미 존재하는 금형 및 설비를 최대한 활용하는 것도 바람직하다. 이를 위해, 유리 섬유는 성능의 범위 내에서 특성을 제공해야 한다. 유리가 모듈러스가 너무 높으면, 윤리적으로 더 높은 성능을 활용하기 위해서 새로운 금형을 제작하는 것을 필요로 한다. 이러한 섬유는 이들 동일한 금형에서도 제조 결함에 대한 내성을 허용한다. 따라서, 윈드 블레이드 크기를 필수적으로 증가시키지 않으면서 성능을 최적화하고자 하는 요구가 있다.
적당한, 그러나 너무 높지 않은 탄성률, 예컨대 90 GPa 내지 92 GPa 를 제공하면서, 허용 가능한 성형 특성, 예컨대 충분히 낮은 섬유화 온도를 갖는 고성능 유리 조성물이 당업계에서 요구된다.
본 발명의 개념의 다양한 예시적인 구현예는 전체 조성물의 중량에 대해 중량% 로 표시되는 57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2; 20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3; 7.0 중량% 내지 9.0 중량% 의 양의 CaO; 8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO; 0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O; 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O; 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및 0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2 를 포함하는 유리 조성물에 관한 것이다. 중량% (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 는 0.47 이상이고, 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 는 0.19 이상이다. 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가진다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양은 98 중량% 이상 및 99.5 중량% 미만일 수 있다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 57.1 중량% 내지 59 중량% 미만의 SiO2 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 7.9 중량% 내지 9.0 중량% 미만의 CaO 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 20 중량% 초과 내지 21 중량% 의 Al2O3 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 0.45 중량% 내지 0.8 중량% 의 Li2O 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 유리 조성물은 희토류 산화물을 포함하지 않는다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 본질적으로 B2O3 를 포함하지 않는다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 0.1 중량% 내지 0.8 중량% 의 Na2O 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 0.46 초과인 중량% 비 (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) 를 포함한다.
본 발명의 개념의 또다른 예시적인 양태는 58.0 중량% 내지 6.20 중량% 의 양의 SiO2; 20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3; 7.9 중량% 내지 12.0 중량% 의 양의 CaO; 8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO; 0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O; 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O; 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및 0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2 를 포함하는 유리 조성물에 관한 것이다. 다양한 예시적인 구현예에 있어서, 조성물은 0.46 초과인 중량% 비 (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) 및 0.19 이상인 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 를 포함한다. 일부 구현예에 있어서, 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가진다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양은 98 중량% 이상 및 99.5 중량% 미만일 수 있다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 57.1 중량% 내지 59 중량% 미만의 SiO2 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 7.9 중량% 내지 9.0 중량% 미만의 CaO 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 20 중량% 초과 내지 21 중량% 의 Al2O3 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 0.45 중량% 내지 0.8 중량% 의 Li2O 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 유리 조성물은 희토류 산화물을 포함하지 않는다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 본질적으로 B2O3 를 포함하지 않는다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 0.1 중량% 내지 0.8 중량% 의 Na2O 를 포함한다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 조성물은 0.47 이상인 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 를 포함한다.
본 발명의 개념의 또다른 예시적인 양태는 57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2; 20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3; 7 중량% 내지 9.0 중량% 의 양의 CaO; 8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO; 0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O; 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O; 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및 0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2 를 포함하는 유리 조성물로부터 형성된 유리 섬유에 관한 것이다. 유리 조성물은 0.47 이상인 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 및 0.19 이상인 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 를 가진다. 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가지며, 유리 섬유는 90 GPa 내지 92 GPa 의 탄성률을 가진다.
임의의 다양한 구현예에 있어서, 유리 섬유는 2.6 g/㎤ 이상인 밀도를 가진다.
본 발명의 개념의 또다른 예시적인 양태는 본원에 개시된 임의의 예시적인 구현예에 따른 용융된 조성물을 제공하고, 용융된 조성물을 오리피스를 통해 인발하여 연속적인 유리 섬유를 형성하는 것을 포함하는, 연속적인 유리 섬유의 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 개념의 또다른 예시적인 양태는 중합체 매트릭스, 및 57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2; 20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3; 7 중량% 내지 9.0 중량% 의 양의 CaO; 8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO; 0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O; 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O; 0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및 0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2 를 포함하는 유리 조성물로부터 형성된 복수의 유리 섬유를 포함하는 강화 복합 제품에 관한 것이다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 0.47 이상인 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 및 0.19 이상인 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 를 가진다. 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가지며, 유리 섬유는 90 GPa 내지 92 GPa 의 탄성률을 가진다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 후술하는 상세한 설명을 고려하여, 이하에서 보다 완전하게 나타날 것이다.
달리 정의하지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는, 이들 예시적인 구현예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본원 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 구현예를 설명하기 위한 것이며, 예시적인 구현예를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 일반적인 본 발명의 개념은 본원에서 예시된 특정한 구현예로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 본원에 기재된 것과 유사하거나 동등한 다른 방법 및 물질이 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법 및 물질은 본원에 기재되어 있다.
명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같은, 단수형 "부정관사" 및 "정관사" 는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 복수형도 포함하는 것으로 의도된다.
"실질적으로 포함하지 않음" 은, 조성물이 1.0 중량% 미만, 예를 들어 0.8 중량% 이하, 0.6 중량% 이하, 0.4 중량% 이하, 0.2 중량% 이하, 0.1 중량% 이하 및 0.05 중량% 이하의 인용된 성분을 포함한다는 것을 의미한다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, "실질적으로 포함하지 않음" 은, 조성물이 0.01 중량% 이하의 인용된 성분을 포함한다는 것을 의미한다.
달리 명시하지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용된 성분의 양, 화학적 및 분자적 특성, 반응 조건 등을 표시하는 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약" 에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 명시하지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 매개변수는 본 발명의 예시적인 구현예에 의해서 수득하고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 최소한, 각각의 수치 매개변수는 유효 자릿수와 일반적인 반올림 접근법에 비추어 해석되어야 한다.
달리 명시하지 않는 한, 임의의 요소, 특성, 특징, 또는 요소, 특성 및 특징의 조합은, 이러한 요소, 특성, 특징, 또는 요소, 특성 및 특징의 조합이 구현예에서 명시적으로 개시되었는지 여부에 관계없이, 본원에 개시된 임의의 구현예에서 사용될 수 있다. 본원에 기재된 임의의 특정한 양태와 관련하여 기재된 특징은 이러한 특징이 이들 양태와 호환 가능한 경우, 본원에 기재된 다른 양태에 적용 가능할 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이다. 특히: 방법과 관련하여 본원에 기재된 특징은 유리 섬유 제품에 적용 가능할 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다; 방법과 관련하여 본원에 기재된 특징은 유리 조성물에 적용 가능할 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다; 유리 섬유와 관련하여 본원에 기재된 특징은 유리 조성물에 적용 가능할 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.
예시적인 구현예의 넓은 범위를 설명하는 수치 범위 및 매개변수가 근사치임에도 불구하고, 특정한 예에서 설명되는 수치 값은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 수치 값은 본질적으로 이들의 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로 인해 필연적으로 발생하는 특정한 오류를 포함한다. 본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 주어진 모든 수치 범위는, 마치 이러한 더 좁은 수치 범위가 모두 본원에서 명시적으로 기재된 것처럼, 이러한 더 넓은 수치 범위 내에 속하는 모든 더 좁은 수치 범위를 포함할 것이다. 또한, 실시예에서 보고된 임의의 수치 값은 본원에 개시된 더 넓은 조성 범위의 상한 또는 하한 종점을 정의하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 통상적인 높은 모듈러스의 유리 조성물보다 낮은 비용을 가지면서, 적당히 높은 탄성률 및 낮은 섬유화 온도를 갖는 유리 조성물에 관한 것이다.
본원에 개시된 유리 조성물은 유리 강화 섬유의 제조에 널리 사용되는, 통상적인 상업적으로 입수 가능한 내화물-라이닝 유리 용광로에서 용융시키는데 적합하다.
유리 조성물은 용융기에서 유리 조성물의 성분을 용융시킴으로써 수득 가능한 용융된 형태일 수 있다. 유리 조성물은 ASTM C965-96(2007) 에 의해 결정되는 바와 같은 약 1000 Poise 의 용융 점도에 해당하는 온도로서 정의되는 낮은 섬유화 온도를 나타낸다. 섬유화 온도를 낮추는 것은 유리 조성물의 성분을 용융시키는데 필요한 더 긴 부싱 수명 및 감소된 에너지 사용량을 허용하기 때문에, 유리 섬유의 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 그러므로, 방출되는 에너지는 일반적으로 많은 상업적으로 입수 가능한 유리 제제를 용융시키는데 필요한 에너지보다 적다. 이러한 더 낮은 에너지 요건은 또한 유리 조성물과 관련된 전체 제조 비용을 더 낮출 수 있다.
예를 들어, 더 낮은 섬유화 온도에서, 부싱은 더 낮은 온도에서 작동할 수 있으며, 따라서 전형적으로 볼 수 있는 것처럼 빠르게 "처짐" 이 일어나지 않는다. "처짐" 은 고온에서 장기간 동안 유지되는 부싱이 이의 결정된 안정성을 상실할 때 발생하는 현상이다. 따라서, 섬유화 온도를 낮춤으로써, 부싱의 처짐율을 감소시킬 수 있으며, 부싱 수명을 최대화할 수 있다. 또한, 더 낮은 섬유화 온도는 에너지 사용 관점에서 더 양호하며, 또한 백금의 휘발화를 늦춘다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 2,372 ℉ (1,300 ℃) 미만의 섬유화 온도, 예를 들어 2,363 ℉ (1,295 ℃) 이하, 2,354 ℉ (1,290 ℃) 이하, 2,345 ℉ (1,285 ℃) 이하, 및 2,336 ℉ (1,280 ℃) 이하의 섬유화 온도를 가질 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 2,330 ℉ (1,276.76 ℃) 내지 2,366.6 ℉ (1,297 ℃), 또는 2,345 ℉ (1,285 ℃) 내지 2,357.6 ℉ (1,292 ℃) 의 섬유화 온도를 가질 수 있다.
유리 조성물의 또다른 섬유화 특성은 액상선 온도이다. 액상선 온도는 액체 유리와 이의 1차 결정질 상 사이에 평형이 존재하는 최고 온도로서 정의된다. 액상선 온도는, 일부 경우에 있어서, 유리 조성물을 백금-합금 보트에서 16 시간 동안 온도 구배에 노출시킴으로써 측정될 수 있다 (ASTM C829-81(2005)). 액상선 온도를 초과하는 모든 온도에서 유리는 완전히 용융되며, 즉, 이것은 결정을 함유하지 않는다. 액상선 온도 미만의 온도에서 결정이 형성될 수 있다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 2,350 ℉ 미만의 액상선 온도, 예를 들어 2,300 ℉ (1,221.11 ℃) 이하, 2,250 ℉ (1,232.22 ℃) 이하, 2,232 ℉ (1,222.22 ℃) 이하, 2,225 ℉ (1,218.33 ℃) 이하 및 2,220 ℉ (1,215.56 ℃) 이하의 액상선 온도를 가질 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 2,200 ℉ (1,204.44 ℃) 내지 2,300 ℉ (1,221.11 ℃), 또는 2,210 ℉ (1,210 ℃) 내지 2,235 ℉ (1,223.89 ℃) 의 액상선 온도를 가질 수 있다.
제 3 섬유화 특성은 델타 T 로서 언급되는 "ΔT" 이며, 이는 섬유화 온도와 액상선 온도 사이의 차이로서 정의된다. ΔT 가 너무 작으면, 용융된 유리가 섬유화 장치 내에서 결정화되어, 제조 공정이 중단될 수 있다. 바람직하게는, ΔT 는 섬유화 동안에 더 큰 정도의 유연성을 제공하며, 유리 분배 시스템 및 섬유화 장치 모두에서 실투를 방지하는데 도움이 되기 때문에, 주어진 성형 점도에 대해 가능한 한 크다. 큰 ΔT 는 더 긴 부싱 수명 및 덜 민감한 성형 공정을 가능하게 함으로써, 유리 섬유의 제조 비용을 추가로 감소시킨다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 40 ℃ 이상, 예를 들어 55 ℃ 이상, 60 ℃ 이상, 70 ℃ 이상, 75 ℃ 이상, 80 ℃ 이상 및 90 ℃ 이상의 ΔT 를 가질 수 있다. 다양한 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 40 ℃ 내지 90 ℃, 예를 들어 50 ℃ 내지 85 ℃, 및 70 ℃ 내지 80 ℃ 의 ΔT 를 가진다.
유리 조성물은 약 56.0 중량% 내지 약 62.0 중량% 의 SiO2, 약 17.0 중량% 내지 약 24.0 중량% 의 Al2O3, 약 9.0 중량% 내지 약 13.0 중량% 의 MgO, 약 7.0 중량% 내지 약 11.0 중량% 의 CaO, 약 0.0 중량% 내지 약 1.0 중량% 의 Na2O, 0 중량% 내지 약 2.0 중량% 의 TiO2, 0 중량% 내지 약 1.5 중량% 의 Fe2O3, 및 약 0.2 중량% 내지 약 1.0 중량% 의 Li2O 를 포함할 수 있다.
유리하게는, 조합된 산화 알루미나 및 산화 마그네슘의 중량% 대 조합된 이산화 실리카 및 산화 칼슘의 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 는 0.47 이상, 예컨대 0.48 이상 및 0.49 이상이다. 0.47 이상의 R1 비는 생성된 섬유 유리가 충분히 높은 탄성률을 나타내도록 한다.
일부 예시적인 구현예에 있어서, 조합된 MgO, Al2O3 및 Li2O 의 중량% 대 조합된 CaO, SiO2, Na2O 및 K2O 의 중량% 의 비 (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) 는 0.46 초과, 예를 들어 0.47 이상, 0.48 이상, 0.49 이상 및 0.50 이상이다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, MgO 의 중량% 대 SiO2 의 중량% 비 (R3) 는 0.175 초과, 예컨대 0.18 초과, 0.19 초과 또는 0.20 초과이다.
본 발명의 유리 조성물은 R1, R2 및 R3 의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 각각의 제공된 비를 충족시키는 유리 조성물은 1,300 ℃ 초과의 섬유화 온도를 제공하지 않으면서, 충분히 높은 모듈러스, 특정 모듈러스 및 ΔT 를 가진다. 이들 비는 또한 원시 인장 강도의 현저한 증가를 제공한다.
유리 조성물은 57 중량% 이상, 그러나 62 중량% 이하의 SiO2 를 포함한다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 57.1 중량% 이상, 예를 들어 57.25 중량% 이상, 57.3 중량% 이상, 57.5 중량% 이상, 57.7 중량% 이상 및 58.0 중량% 이상의 SiO2 를 포함한다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 60.5 중량% 이하, 예를 들어 60.3 중량% 이하, 60.2 중량% 이하, 60 중량% 이하, 59.8 중량% 이하 및 59.5 중량% 이하의 SiO2 를 포함한다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 57.15 중량% 내지 59 중량% 미만의 SiO2 를 포함한다.
원하는 기계적 특성 및 섬유화 특성을 모두 달성하기 위해서, 유리 조성물의 하나의 중요한 양태는 19.0 중량% 이상 및 25.0 중량% 이하의 Al2O3 농도를 갖는 것이다. 19.0 중량% 미만의 Al2O3 를 포함하면, 비바람직하게 낮은 모듈러스를 갖는 유리 섬유의 형성에 기여한다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 19.5 중량% 이상, 예를 들어 19.7 중량% 이상, 20.0 중량% 이상, 20.05 중량% 이상, 20.1 중량% 이상 및 20.3 중량% 이상의 Al2O3 를 포함한다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 22.0 중량% 이하, 예를 들어 21.8 중량% 이하, 21.6 중량% 이하, 21.2 중량% 이하, 21.1 중량% 이하 및 21.0 중량% 이하의 Al2O3 를 포함한다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 20.0 중량% 내지 21.0 중량% 미만의 Al2O3 를 포함할 수 있다. 더 높은 수준의 Al2O3 를 포함하면, 결정화 경향이 증가한다.
유리 조성물은 유리하게는 8.0 중량% 이상 및 15.0 중량% 이하의 MgO 를 포함한다. 15.0 중량% 초과의 MgO 를 포함하면, 액상선 온도가 증가하여 유리의 결정화 경향도 증가할 것이다. 8.0 중량% 미만을 포함하면, CaO 로 치환되는 경우 비바람직하게 낮은 모듈러스, 및 SiO2 로 치환되는 경우 비바람직한 점도 증가를 갖는 유리 섬유가 형성된다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 9.5 중량% 이상의 MgO, 예를 들어 10.0 중량% 이상, 10.5 중량% 이상, 11.0 중량% 이상, 11.10 중량% 이상 및 11.50 중량% 이상의 MgO 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 12.5 중량% 이하, 예컨대 12.0 중량% 이하, 11.9 중량% 이하 또는 11.8 중량% 이하의 MgO 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 10.5 중량% 내지 12.0 중량% 미만의 MgO 농도를 포함할 수 있다.
유리 조성물은 유리하게는 7.0 중량% 이상 및 12.0 중량% 이하의 CaO 를 포함한다. 12.0 중량% 초과의 CaO 를 포함하면, 낮은 탄성률을 갖는 유리가 형성된다. 7.0 중량% 미만을 포함하면, CaO 가 어느 산화물로 치환되는 지에 따라 액상선 온도 또는 점도가 비바람직하게 증가한다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 7.15 중량% 이상, 예를 들어 7.4 중량% 이상, 7.7 중량% 이상, 8.0 중량% 이상 및 8.2 중량% 이상의 CaO 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 11.5 중량% 이하, 예컨대 10.0 중량% 이하, 9.8 중량% 이하, 9.5 중량% 이하 및 9.0 중량% 이하의 CaO 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 7.9 중량% 내지 9.0 중량% 미만의 CaO 농도를 포함할 수 있다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양은 98.0 중량% 이상 또는 99 중량% 이상 및 99.5 중량% 이하일 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양은 97.5 중량% 내지 99.5 중량% 미만, 예를 들어 98.0 중량% 내지 99.0 중량% 미만, 및 98.05 중량% 내지 98.8 중량% 일 수 있다.
유리 조성물은 약 0.1 중량% 내지 약 2.0 중량% 의 양의 Li2O 를 포함한다. Li2O 의 존재는 유리 조성물의 섬유화 온도를 감소시키고, 이로부터 형성된 유리 섬유의 탄성률을 증가시킨다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 약 0.2 중량% 내지 약 1.0 중량%, 예를 들어 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 및 약 0.45 중량% 내지 약 0.7 중량% 의 Li2O 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 0.45 중량% 초과 및 0.8 중량% 미만의 Li2O 를 포함할 수 있다.
유리 조성물은 약 2.0 중량% 이하의 TiO2 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 약 0.05 중량% 내지 약 1.5 중량%, 예를 들어 약 0.4 중량% 내지 약 1.0 중량%, 및 약 0.5 중량% 내지 약 0.7 중량% 의 TiO2 를 포함할 수 있다.
유리 조성물은 약 2.0 중량% 이하의 Fe2O3 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 약 0.05 중량% 내지 약 1.0 중량%, 예를 들어 약 0.2 중량% 내지 약 0.8 중량%, 및 약 0.3 중량% 내지 약 0.6 중량% 의 Fe2O3 를 포함할 수 있다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 2.0 중량% 미만, 예를 들어 0 중량% 내지 1.5 중량% 의 알칼리 금속 산화물 Na2O 및 K2O 를 포함할 수 있다. 유리 조성물은 유리하게는 Na2O 및 K2O 를 각각의 산화물의 0.01 중량% 초과의 양으로 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 약 0 중량% 내지 약 1.0 중량%, 예를 들어 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.03 중량% 내지 약 0.3 중량%, 및 0.04 중량% 내지 약 0.1 중량% 의 Na2O 를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 약 0 중량% 내지 약 1 중량%, 예를 들어 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.03 중량% 내지 약 0.3 중량%, 및 0.04 중량% 내지 약 0.2 중량% 의 K2O 를 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은, 용어 "중량%" 및 "중량%" 는 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 전체 조성물에 대한 중량% 를 나타내는 것을 의미한다.
본 발명의 유리 조성물은 B2O3, SrO 및 불소를 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않을 수 있지만, 섬유화 및 최종 유리 특성을 조정하기 위해서 소량으로 첨가될 수 있으며, 수 % 미만으로 유지된다면 특성에 불리한 영향을 미치지 않을 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같은, "B2O3, SrO 및 불소를 실질적으로 포함하지 않음" 은, 존재하는 B2O3, SrO 및 불소의 양의 합이 조성물의 1.0 중량% 미만인 것을 의미한다. 존재하는 B2O3, SrO 및 불소의 양의 합은 조성물의 약 0.5 중량% 미만, 예를 들어 약 0.2 중량% 미만, 약 0.1 중량% 미만 및 약 0.05 중량% 미만일 수 있다.
유리 조성물은 유리 또는 섬유에 악영향을 미치지 않으면서 불순물 및/또는 미량의 물질을 추가로 포함할 수 있다. 이들 불순물은 원료 불순물로서 유리에 유입될 수 있거나, 또는 용융된 유리와 용광로 성분의 화학 반응에 의해 형성된 생성물일 수 있다. 미량의 물질의 비제한적인 예는 아연, 스트론튬, 바륨, 및 이의 조합을 포함한다. 미량의 물질은 이들의 산화물 형태로 존재할 수 있으며, 불소 및/또는 염소를 추가로 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 본 발명의 유리 조성물은 1.0 중량% 미만, 예를 들어 0.5 중량% 미만, 0.2 중량% 미만 및 0.1 중량% 미만의 각각의 BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 및 SO3 를 함유할 수 있다. 특히, 유리 조성물은 약 5.0 중량% 미만의 조합된 BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 및/또는 SO3 를 포함할 수 있으며, 여기에서 각각의 BaO, SrO, ZnO, ZrO2, P2O5 및 SO3 는, 모두 존재하는 경우, 1.0 중량% 미만의 양으로 존재한다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 2.0 중량% 미만의 하기의 개질 성분 (집합적으로) 을 포함할 수 있다: CeO2, Li2O, Fe2O3, TiO2, WO3 및 Bi2O3. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 1.5 중량% 미만의 개질 성분을 포함할 수 있다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 1.0 중량% 미만, 예를 들어 0 중량% 내지 0.9 중량%, 또는 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 희토류 산화물 Y2O3, Ga2O3, Sm2O3, Nd2O3, La2O3, Ce2O3, 및 Sc2O3 ("R2O3") 및 Ta2O5, Nb2O5, 또는 V2O5 ("R2O5") 를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 조성물은 희토류 산화물을 포함하지 않는다.
상기에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 유리 조성물은 예상외로 현재의 복합 금형 사양에서 사용하기 위한 고성능 유리 섬유를 이러한 다운스트림 금형의 재구성을 필요로 하지 않고 제공하기 위해서, 낮은 섬유화 온도 및 적당한 탄성률 (영률) 및 인장 강도 사이에 균형을 보여준다.
섬유 인장 강도는 또한 본원에서 간단히 "강도" 로서 지칭된다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 인장 강도는 ASTM D2343-09 에 따른 인스트론 인장 시험 장치를 사용하여 원시 섬유 (즉, 크기가 지정되지 않고, 손대지 않은 실험실 제조된 섬유) 에 대해 측정된다. 상기 기재된 본 발명의 유리 조성물로부터 형성된 예시적인 유리 섬유는 4,500 MPa 이상, 예를 들어 4,600 MPa 이상, 4,700 MPa 이상, 4,800 MPa 이상, 4,825 MPa 이상 및 4,850 MPa 이상의 섬유 인장 강도를 가질 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 본원에 개시된 조성물로부터 형성된 유리 섬유는 약 4,000 MPa 내지 약 5,000 MPa, 예를 들어 약 4,350 MPa 내지 약 4,950 MPa, 약 4,400 MPa 내지 약 4,900 MPa 의 섬유 인장 강도를 가질 수 있다. 유리하게는, 본원에 개시된 조성 매개변수의 조합은 바람직한 섬유화 특성 및 적당한 탄성률을 유지하면서, 4,800 MPa 이상, 예를 들어 4,850 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 유리 섬유를 제조하는 것을 가능하게 한다.
유리 섬유의 탄성률은 문헌 ["Glass Fiber and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory", Report Number NOLTR 65-87, June 23, 1965] 에 설명된 음향 측정 절차에 따라서 측정된 5 개의 단일 유리 섬유에 대한 평균 측정치를 취함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 유리 조성물로부터 형성된 예시적인 유리 섬유는 약 90 GPa 내지 약 92 GPa 의 적당히 높은 탄성률 (영률) 을 가질 수 있다. 유리 섬유가 기존의 복합 금형에 사용될 수 있도록 하기 위해서 적당한 탄성률을 유지하고, 92 GPa 를 초과하지 않는 것이 중요하며, 이는 현재의 유리 조성물의 비용 절감을 촉진한다. 92 GPa 초과의 탄성률에서, 새로운 복합 금형은 복합체의 크기 등을 증가시키는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 90 GPa 내지 92 GPa 의 목표 탄성률은 현재의 금형 사양 내에서 개선된 복합체 성능을 제공한다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 본 출원에 따라서 형성된 유리 섬유는 90.5 GPa 이상, 예컨대 90.6 GPa 이상, 90.8 GPa 이상, 91.0 GPa 이상, 91.2 GPa 이상의 탄성률을 가질 수 있다. 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 본 발명의 유리 조성물로부터 형성된 예시적인 유리 섬유는 약 90.2 GPa 내지 약 92 GPa, 예를 들어 약 90.5 GPa 내지 약 91.9 GPa, 및 약 90.7 GPa 내지 약 91.8 GPa 의 탄성률을 가질 수 있다.
이어서, 탄성률은 특정 모듈러스를 결정하는데 사용될 수 있다. 최종 물품에 강성을 추가하는 경량의 복합 재료를 달성하기 위해서 가능한 한 높은 특정 모듈러스를 갖는 것이 바람직하다. 특정 모듈러스는, 풍력 에너지 및 항공 우주 용도에서와 같이, 제품의 강성이 중요한 매개변수인 용도에서 중요하다. 본원에서 사용되는 바와 같은, 특정 모듈러스는 하기의 방정식에 의해 계산된다:
특정 모듈러스 (MJ/kg) = 탄성률 (GPa) / 밀도 (kg/입방 미터)
본 발명의 유리 조성물로부터 형성된 예시적인 유리 섬유는 약 32.0 MJ/kg 내지 약 37.0 MJ/kg, 예를 들어 약 33 MJ/kg 내지 약 36 MJ/kg, 및 약 34.0 MJ/kg 내지 약 35.0 MJ/kg 의 특정 모듈러스를 가질 수 있다.
밀도는 어닐링되지 않은 벌크 유리에 대한 Archimedes 방법 (ASTM C693-93(2008)) 과 같은, 당업계에서 공지되고 통상적으로 허용되는 임의의 방법에 의해 측정될 수 있다. 유리 섬유는 약 2.0 g/㎤ 내지 약 3.0 g/㎤ 의 밀도를 가질 수 있다. 특히, 임의의 예시적인 구현예에 있어서, 유리 섬유는 약 2.45 g/㎤ 내지 약 2.8 g/㎤, 예를 들어 약 2.40 g/㎤ 내지 약 2.75 g/㎤, 약 2.50 g/㎤ 내지 약 2.70 g/㎤, 및 약 2.60 g/㎤ 내지 약 2.68 g/㎤ 의 밀도를 가질 수 있다.
임의의 예시적인 구현예에 있어서, 본 발명의 유리 조성물로부터 형성된 유리 섬유는 개선된 내부식성을 가질 수 있다.
일부 예시적인 구현예에 따르면, 상기에서 기술한 유리 조성물로부터 유리 섬유를 제조하는 방법이 제공된다. 유리 섬유는 당업계에서 공지되고 통상적으로 사용되는 임의의 수단에 의해 형성될 수 있다. 유리 섬유는 원료 성분을 수득하고, 상기 성분을 적절한 양으로 혼합하여 원하는 중량% 의 최종 조성물을 제공함으로써 형성된다. 상기 방법은 본 발명의 유리 조성물을 용융된 형태로 제공하고, 상기 용융된 조성물을 부싱 내의 오리피스를 통해 인발하여 유리 섬유를 형성하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
이어서, 혼합된 배치는 용광로 또는 용융기에서 용해될 수 있으며, 생성된 용융된 유리는 전로를 따라 통과하고, 전로의 바닥에 위치한 부싱의 오리피스를 통해 인발되어 개별 유리 필라멘트를 형성한다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 용광로 또는 용융기는 통상적인 내화성 용융기이다. 내화성 블록으로 형성된 내화성 탱크를 사용함으로써, 본 발명의 조성물에 의해 제조된 유리 섬유의 제조와 관련된 제조 비용이 감소될 수 있다. 일부 예시적인 구현예에 있어서, 부싱은 백금 합금계 부싱이다. 이어서, 개별 필라멘트를 함께 모음으로써 유리 섬유의 스트랜드가 형성될 수 있다. 섬유 스트랜드는 의도된 용도에 적합한 통상적인 방식으로 권취되고 추가로 처리될 수 있다.
용융기, 전로 및 부싱에서 유리의 작동 온도는 유리의 점도를 적절히 조정하도록 선택될 수 있으며, 제어 장치와 같은 적합한 방법을 사용하여 유지될 수 있다. 용융기의 전단부에서의 온도는 실투를 감소시키거나 제거하기 위해서 자동적으로 제어될 수 있다. 이어서, 용융된 유리는 부싱의 바닥 또는 팁 플레이트에서의 홀 또는 오리피스를 통해 당겨져 (인발되어) 유리 섬유를 형성할 수 있다. 일부 예시적인 구현예에 따르면, 부싱 오리피스를 통해 유동하는 용융된 유리의 스트림은 복수의 개별 필라멘트로 형성된 스트랜드를 권취기의 회전 가능한 콜릿에 장착된 성형 튜브 상에서 권취하거나 또는 적응 속도로 절단함으로써 필라멘트에 감쇠된다. 본 발명의 유리 섬유는 본원에 기재된 임의의 방법, 또는 유리 섬유를 형성하기 위한 임의의 공지된 방법에 의해 수득 가능하다.
섬유는 의도된 용도에 적합한 통상적인 방식으로 추가로 처리될 수 있다. 예를 들어, 일부 예시적인 구현예에 있어서, 유리 섬유는 당업자에게 공지된 사이징 조성물로 사이징된다. 사이징 조성물은 제한되지 않으며, 유리 섬유에의 적용에 적합한 임의의 사이징 조성물일 수 있다. 사이징된 섬유는 제품의 최종 용도가 높은 강도 및 강성 및 낮은 중량을 요구하는 다양한 플라스틱과 같은 강화 기판에 사용될 수 있다. 이러한 용도는, 비제한적으로, 윈드 블레이드; 강화 콘크리트, 교량 등과 같은 사회 기반 시설; 및 항공 우주 구조물을 형성하는데 사용하기 위한 직조 직물을 포함한다.
이와 관련하여, 본 발명의 임의의 예시적인 구현예는 상기에서 기술한 바와 같은 본 발명의 유리 섬유를 경화성 매트릭스 물질과 조합하여 혼입시킨 복합 재료를 포함할 수 있다. 이것은 또한 본원에서 강화 복합 제품으로서 지칭될 수 있다. 매트릭스 물질은 당업자에게 공지된 임의의 적합한 열가소성 또는 열경화성 수지, 예컨대, 비제한적으로, 열가소성 수지, 예컨대 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌, 및 열경화성 수지, 예컨대 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 페놀, 비닐에스테르, 및 엘라스토머일 수 있다. 이들 수지는 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 강화 복합 제품은 윈드 블레이드, 철근, 파이프, 필라멘트 와인딩, 머플러 충전재, 흡음재 등과 같은 복합체의 제조에 사용될 수 있다.
또다른 예시적인 구현예에 따르면, 본 발명은 상기에서 기술한 바와 같은 복합 제품의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 하나 이상의 중합체 매트릭스 물질을 복수의 유리 섬유와 조합하는 것을 포함할 수 있다. 중합체 매트릭스 물질 및 유리 섬유는 모두 상기에서 기술한 바와 같을 수 있다.
실시예
본 발명에 따른 예시적인 유리 조성물은 하기 표 1-2 에 기재된 산화물 중량% 를 갖는 최종 유리 조성물을 달성하기 위해서 비례 양으로 배치 성분을 혼합함으로써 제조하였다.
원료를 1,650 ℃ 의 온도에서 3 시간 동안 전기적으로 가열된 용광로에서 백금 도가니에 용융시켰다.
섬유화 온도는 "Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point" 라는 제목의 ASTM C965-96(2007) 에 기재된 바와 같은 회전 실린더 방법을 사용하여 측정하였으며, 이의 내용은 본원에서 참고로 포함된다. 액상선 온도는 "Standard Practices for Measurement of Liquidus Temperature of Glass" 라는 제목의 ASTM C829-81(2005) 에서 정의한 바와 같이, 유리를 백금-합금 보트에서 16 시간 동안 온도 구배에 노출시킴으로써 측정하였으며, 이의 내용은 본원에서 참고로 포함된다. 밀도는 "Standard Test Method for Density of Glass Buoyancy" 라는 제목의 ASTM C693-93(2008) 에 상세히 설명된 바와 같은 Archimedes 방법에 의해 측정하였으며, 이의 내용은 본원에서 참고로 포함된다.
특정 모듈러스는 측정된 GPa 단위의 탄성률 (또는 "영률") 을 g/㎤ 단위의 밀도로 나눔으로써 계산하였다.
인장 강도는 "Standard Test Method for Tensile Properties of Glass Fiber Strands, Yarns, and Rovings Used in Reinforced Plastics" 라는 제목의 ASTM D2343-09 에 따라서, 인스트론 인장 시험 장치를 사용하여 원시 섬유에 대해 측정하였으며, 이의 내용은 본원에서 참고로 포함된다.
표 1
Figure pct00001
표 2
Figure pct00002
표 1 및 2 는 본 발명의 개념에 따라서 형성된 유리 섬유에 의해 달성되는 1,300 ℃ 미만의 섬유화 온도를 유지하면서, 적당한 탄성률 (90 GPa 내지 92 GPa) 및 양호한 인장 강도의 특정한 균형을 예시한다. 특히, 표 1 및 2 에서의 각각의 유리 조성물은 0.47 이상의 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(CaO+SiO2), 0.46 초과의 비 (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O), 및 0.19 이상의 비 (R3) (MgO/SiO2) 를 나타낸다.
이에 반해, 하기 표 3 은 유럽 출원 번호 10860973.6 으로부터의 비교예를 상세히 설명한다. 예시한 바와 같이, 예시적인 비교 조성물은 1,300 ℃ 초과의 섬유화 온도 및 92 GPa 초과의 탄성률 값을 유도하는 각각의 R1, R2 및 R3 을 충족하지 못한다. 본 발명의 유리 조성물은 적당한 탄성률 (90 GPa 내지 92 GPa 미만) 및 양호한 인장 강도와 낮은 섬유화 온도의 균형을 이룬다.
표 3
Figure pct00003
본 출원의 발명은 일반적으로 및 특정한 구현예와 관련하여 상기에서 설명하였다. 본 발명은 바람직한 구현예인 것으로 여겨지는 것들에 기재되어 있지만, 당업자에게 공지된 다양한 대안이 일반적인 개시 내용 내에서 선택될 수 있다. 본 발명은 이하에서 설명되는 청구항의 열거를 제외하고는, 다른 점으로 제한되지 않는다.

Claims (27)

  1. 다음을 포함하는 유리 조성물:
    57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2;
    20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3;
    7.0 중량% 내지 9.0 중량% 의 양의 CaO;
    8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO;
    0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O;
    0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O;
    0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및
    0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2,
    여기에서 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 는 0.47 이상이고, 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 는 0.19 이상이며, 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가짐.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 57.1 중량% 내지 59 중량% 미만의 SiO2 를 포함하는 유리 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 7.9 중량% 내지 9.0 중량% 미만의 CaO 를 포함하는 유리 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양이 98 중량% 이상 및 99.5 중량% 미만인 유리 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 유리 조성물이 희토류 산화물을 포함하지 않는 유리 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 20 중량% 초과 내지 21 중량% 의 Al2O3 를 포함하는 유리 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 조성물이 0.45 중량% 내지 0.8 중량% 의 Li2O 를 포함하는 유리 조성물.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물이 본질적으로 B2O3 를 포함하지 않는 유리 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 조성물이 0.1 중량% 내지 0.8 중량% 의 Na2O 를 포함하는 유리 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 조성물이 0.46 초과인 중량% 비 (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) 를 포함하는 유리 조성물.
  11. 다음을 포함하는 유리 조성물:
    58.0 중량% 초과 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2;
    20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3;
    7.9 중량% 내지 12.0 중량% 의 양의 CaO;
    8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO;
    0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O;
    0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O;
    0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및
    0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2,
    여기에서 중량% 비 (R2) (MgO+Al2O3+Li2O)/(CaO+SiO2+Na2O+K2O) 는 0.46 초과이고, 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 는 0.19 이상이며, 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가짐.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 조성물이 57.1 중량% 내지 59 중량% 미만의 SiO2 를 포함하는 유리 조성물.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 조성물이 7.9 중량% 내지 9.0 중량% 미만의 CaO 를 포함하는 유리 조성물.
  14. 제 11 항에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양이 98 중량% 이상 및 99.5 중량% 미만인 유리 조성물.
  15. 제 11 항에 있어서, 유리 조성물이 희토류 산화물을 포함하지 않는 유리 조성물.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 조성물이 20 중량% 초과 내지 21 중량% 의 Al2O3 를 포함하는 유리 조성물.
  17. 제 11 항에 있어서, 조성물이 0.45 중량% 내지 0.8 중량% 의 Li2O 를 포함하는 유리 조성물.
  18. 제 1 항에 있어서, 조성물이 0.1 중량% 내지 0.8 중량% 의 Na2O 를 포함하는 유리 조성물.
  19. 제 11 항에 있어서, 조성물이 0.47 이상인 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 를 포함하는 유리 조성물.
  20. 다음을 포함하는 유리 조성물로부터 형성된 유리 섬유:
    57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2;
    20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3;
    7.0 중량% 내지 9.0 중량% 의 양의 CaO;
    8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO;
    0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O;
    0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O;
    0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및
    0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2,
    여기에서 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 는 0.47 이상이고, 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 는 0.19 이상이며, 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가지고, 상기 유리 섬유는 90 GPa 내지 92 GPa 의 탄성률을 가짐.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 유리 섬유가 2.6 g/㎤ 이상인 밀도를 가지는 유리 섬유.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 조성물이 57.1 중량% 내지 59 중량% 미만의 SiO2 를 포함하는 유리 섬유.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 조성물이 7.9 중량% 내지 9.0 중량% 미만의 CaO 를 포함하는 유리 섬유.
  24. 제 20 항에 있어서, SiO2, Al2O3, MgO 및 CaO 의 조합된 양이 98 중량% 이상 및 99.5 중량% 미만인 유리 섬유.
  25. 하기의 단계를 포함하는 연속적인 유리 섬유의 형성 방법:
    제 1 항에 따른 용융된 조성물을 제공하는 단계; 및
    상기 용융된 조성물을 오리피스를 통해 인발하여 연속적인 유리 섬유를 형성하는 단계.
  26. 다음을 포함하는 강화 복합 제품:
    중합체 매트릭스; 및
    다음을 포함하는 유리 조성물로부터 형성된 복수의 유리 섬유:
    57.0 중량% 내지 62.0 중량% 의 양의 SiO2;
    20.0 중량% 내지 25.0 중량% 의 양의 Al2O3;
    7.0 중량% 내지 9.0 중량% 의 양의 CaO;
    8.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 양의 MgO;
    0 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Na2O;
    0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양의 K2O;
    0.4 중량% 내지 1.0 중량% 의 양의 Li2O; 및
    0.2 중량% 내지 1.5 중량% 의 양의 TiO2,
    여기에서 중량% 비 (R1) (MgO+Al2O3)/(SiO2+CaO) 는 0.47 이상이고, 중량% 비 (R3) (MgO/SiO2) 는 0.19 이상이며, 유리 조성물은 1,300 ℃ 이하의 섬유화 온도를 가지고, 상기 유리 섬유는 90 GPa 내지 92 GPa 의 탄성률을 가짐.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 강화 복합 제품이 윈드 블레이드의 형태인 강화 복합 제품.
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