TW202342395A - 具有減低的能量消耗之高模數玻璃纖維 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種玻璃組成物，其包含： 50至58重量%之量的SiO
2；18至23重量%之量的Al
2O
3；小於18重量%之CaO及MgO；至少5重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2與4間之一比率R1(R1=Y
2O
3/La
2O
3)。由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
Description
本發明係有關於具有減低的能量消耗之高模數玻璃纖維。
玻璃纖維係由不同原料製成，該等原料係以特定比例組合以產生一般稱為一「玻璃批料」之一期望組成物。這玻璃批料可在一熔化裝置中熔化且該熔融玻璃透過一套管或孔口板被抽拉成長絲(製得之長絲亦稱為連續玻璃纖維)。
由於在玻璃製造工業中努力發展更環境友善且永續之製程，一主要面向聚焦在減少熔化製造玻璃纖維時使用之玻璃原料所需要的能量。降低熔化該等原料所需之溫度可減少在製程中消耗的整體能量且亦可有助於延長該熔化及套管裝置之壽命。藉由減少能量消耗量，最終亦可減少碳足跡。
此外，熔化習知原料通常會釋放如溫室氣體(GHG)之某些氣體進入大氣中。例如，大量如石灰石及白雲石之碳酸酯系原料通常用於協助處理該原料及將期望特性加入該玻璃產品。但是，熔化該等碳酸酯系原料會產生如二氧化碳之GHG。產生GHG亦可起因於通常在一習知玻璃纖維製程中使用的其他程序，例如涉及產生電力以提供用於熔化該等原料及亦在使熔融玻璃纖維化時之能量的燃燒反應。
因此，由於永續且環境友善之解決方法係製造措施之優先考量，需要具有減低的熔化溫度且在該玻璃纖維製程中釋放較少GHG至大氣中，同時維例如一高彈性模數及抗拉強度之期望機械性質的玻璃纖維組成物。
本發明觀念之不同示範態樣係有關於一種玻璃組成物，其包含：50至58重量%之量的SiO
2；18至23重量%之量的Al
2O
3；小於18重量%之CaO及MgO；至少5重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2與4間之一比率R1(R1=Y
2O
3/La
2O
3)；1(或大於1)重量%至2重量%之量的Li
2O；0至0.1重量%之量的Na
2O；0至0.2重量%之量的K
2O；0至0.5重量%之量的TiO
2。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))，小於1,300℃之一纖維化溫度、不大於1,250℃之一液相溫度及/或至少10℃之一ΔT。由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
本發明觀念之另外示範態樣係有關於一種由玻璃組成物形成之玻璃纖維，該玻璃組成物包含：50至56重量%之量的SiO
2；18至23重量%之量的Al
2O
3；小於18重量%之CaO及MgO；4.5至8重量%之量的Y
2O
3；0.5至4重量%之量的La
2O
3；其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2與4間之一比率R1(R1=Y
2O
3/La
2O
3)；0至0.5重量%之量的Na
2O+K
2O；及0至0.5重量%之量的TiO
2。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))。該玻璃纖維可具有在2.55 g/cc至2.8 g/cc間之一密度及/或至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
本發明觀念之另外示範態樣係有關於一種強化複合產品，其包含一聚合物基質及由一玻璃組成物形成之複數玻璃纖維。該玻璃組成物包含：50至58重量%之量的SiO
2；18至23.0重量%之量的Al
2O
3；小於18重量%之CaO及MgO；至少5重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2與4間之一比率(R1=Y
2O
3/La
2O
3)；大於1重量%至2重量%之量的Li
2O；0至0.1重量%之量的Na
2O；0至0.2重量%之量的K
2O；0至0.5重量%之量的TiO
2，其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))。該玻璃組成物可具有不大於1,250℃之一液相溫度及在10℃與60℃間之一ΔT。由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維可具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
本發明觀念之另外示範態樣係有關於一種玻璃組成物，其包含：50至58.0重量%之量的SiO
2；18至23重量%之量的Al
2O
3；小於18重量%之CaO及MgO；及至少5重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2與4間之一比率(R1=Y
2O
3/La
2O
3)。該玻璃組成物具有在1,200℃與1,300℃間之一纖維化溫度及至少10℃之一ΔT，且其中由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維可具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
本發明之前述及其他目的、特徵及優點可由考慮以下詳細說明而在以下更完整地了解。
除非另外定義，在此使用之全部技術及科學用語具有與這些示範實施例所屬技術領域中具有通常知識者一般地了解者相同的意義。在此說明中使用之用語只是用於說明示範實施例而非意圖限制該等示範實施例。因此，通用發明觀念非意圖受限於在此所示之特定實施例。雖然在本發明之實務或測試中可使用與在此所述者類似或等效之其他方法及材料，但在此說明較佳方法及材料。
除非上下文另外清楚地表示，在說明書及附加申請專利範圍中使用之單數型「一」及「該」意圖亦包括複數型。
除非另外表示，在說明書及申請專利範圍中表示配料之量、化學及分子性質、反應條件等的全部數字應理解為在全部情形中都經該用語「大約」修飾。因此，除非相反地表示，在說明書及附加申請專利範圍中提出之數字參數係可依據欲由本示範實施例獲得之期望性質改變的近似值。至少各數字參數應依據有效位數之數字及一般四捨五入方法來解釋。
雖然提出示範實施例之廣大範圍的數字範圍及參數係近似值，在特定例子中提出之數值係儘可能精確地呈報。但是，任何數值本質上包含起因於其各個測試測量中發現之標準偏差的某些誤差。在這說明書及申請專利範圍中從頭到尾提出之每一數字範圍可如同較窄數字範圍係在此明白地寫出地包括落在該較廣數字範圍內之每一較窄數字範圍。此外，在該等例子中呈報之任一數值可用於界定在此揭示之一較廣組成範圍的一上或下端點。
雖然該等標的發明觀念之玻璃組成物可用不同方式說明及/或請求，應了解的是不同組成物係對在此提出之特定問題的替代解決方案且係在此揭露之通用發明觀念的所有部份。
本揭示係有關於具有特別訂製組成物之一玻璃組成物以提供具有一高彈性模數、低密度及較佳溫度分布的玻璃纖維，使得該玻璃在製造時需要較少能量來熔化及釋出較少溫室氣體，特別是二氧化碳。該等玻璃組成物在需要較長葉片以產生更多能量之如風力發電機的風力產品的領域中特別有利。該等較長葉片需要具有較高彈性模數之材料以便承受施加給它們之力且不會斷裂。事實上，即使一玻璃纖維模數之一小改良亦會被複合產品的整體纖維重量比例放大而提供一整體大改良，因此該等玻璃纖維之彈性模數對終端產品性質具有一大影響。
在此揭露之玻璃組成物適合在製造玻璃強化纖維時廣泛使用之一傳統市售耐火內襯玻璃爐中熔化。
該玻璃組成物可呈藉由在一熔化器中熔化該玻璃組成物之成分所獲得的熔融狀態。該玻璃組成物展現一低纖維化溫度，該低纖維化溫度係定義為對應由ASTM C965-96(2007)決定之大約1000泊之一熔化黏度的溫度。因為降低該纖維化溫度容許一較長套管壽命及減低需要用於熔化一玻璃組成物之成分的能量使用，所以它可減少該等玻璃纖維之生產成本。因此，發出之能量通常小於熔化包括Advantex®玻璃之許多市售玻璃組成所需的能量。該等較低能量需求亦可降低與該玻璃組成物相關之整體製造成本。
在某些示範實施例中，該玻璃組成物具有小於2,372°F(1,300℃)之一纖維化溫度，其包括：不大於2,354°F(1,290℃)、不大於2,327°F(1,275℃)、不大於2,309°F(1,265℃)、不大於2,291°F(1,255℃)、不大於2,282°F(1,250℃)、不大於2,273°F(1,245℃)及不大於2,264°F(1,240℃)之纖維化溫度。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可具有在2,192°F(1,200℃)與2,372°F(1,300℃)間之一纖維化溫度，其包括：在2,228°F(1,210℃)與2,300°F(1,260℃)間及在2,246°F(1,230℃)與2,264°F(1,240℃)間且包括全部端點及其間之子範圍的纖維化溫度。
一玻璃組成物之另一纖維化性質係液相溫度。該液相溫度係定義為液態玻璃與其主要晶相間存在平衡時之最高溫度。在某些情形中，該液相溫度可藉由在一鉑合金舟中將該玻璃組成物暴露於一溫度梯度16小時(ASTM C829-81(2005))來測量。在該液相溫度以上之全部溫度，該玻璃完全熔融，即它沒有結晶。在該液相溫度以下之溫度，可形成結晶。需要具有一儘可能低之液相溫度以便開啟處理窗口(稱為以下更詳細地定義之ΔT)。一低液相溫度亦有助於減少在一熔化裝置之最冷位置形成結晶且因此增加該玻璃之處理性。
在某些示範實施例中，該玻璃組成物具有在2,282°F(1,250℃)以下之一液相溫度，其包括：不大於2,264°F(1,240℃)、不大於2,246°F(1,230℃)、不大於2,237°F(1,225℃)、不大於2,219°F(1,215℃)、不大於2,210°F(1,210℃)、不大於2,201°F(1,205℃)、不大於2,192°F(1,200℃)及不大於2,183°F(1,195℃)之液相溫度。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可具有在2,102°F(1,150℃)與2,282°F(1,250℃)間之一液相溫度，其包括：在2,147°F(1,175℃)與2,255°F(1,235℃)間及在2,192°F(1,180℃)與2,192°F(1,200℃)間之液相溫度。
一第三纖維化性質係「ΔT」，其定義為該纖維化溫度與該液相溫度間之差。該玻璃組成物之ΔT必須大於0且特別地選擇成提供由低纖維化溫度來看具有一足夠成形窗口之一玻璃組成物。在任一示範實施例中，該玻璃組成物具有至少3℃之一ΔT，其包括：至少10℃、至少15℃、至少20℃、至少24℃、至少27°F、至少30℃、少33℃及至少35℃之ΔT。在不同示範實施例中，該玻璃組成物具有在3℃與80℃間之一ΔT，其包括：在12℃與80℃間、在15℃與60℃間、在20℃與55℃間、在25℃與50℃間及在30℃與45℃間之ΔT。
為獲得可產生具有減低CO
2排放之一高模數玻璃的一玻璃組成物，該玻璃組成物合計地包括一減低濃度之CaO及MgO。但是，大致上，一般已知的是增加鈣及鎂濃度係降低溫度，特別是纖維化溫度的一有效方式。但是，意外地發現的是藉由合計地加入至少5.0 wt.%之稀土氧化物，即Y
2O
3及La
2O
3的一協同混合物，該合計CaO及MgO濃度可減少，同時亦獲得具有一低纖維化溫度之一玻璃組成物，該低纖維化溫度可形成具有至少GPa之一音波纖維彈性模數的一玻璃纖維。
已發現的是該等稀土氧化物，即Y
2O
3及La
2O
3之這特定組合及濃度有助於減少該纖維化溫度，同時可產生具有足夠彈性模數及抗拉強度之玻璃纖維。因此，在任一示範實施例中，該玻璃組成物包括Y
2O
3及La
2O
3。詳而言之，該標的玻璃組成物包括至少5重量%之一總濃度的Y
2O
3及La
2O
3，且Y
2O
3/La
2O
3之比例(R1)在2與4之間。在任一示範實施例中，該玻璃組成物包括在2.2與3.8間之一Y
2O
3/La
2O
3比例(R1)，其包括：在2.4與3.6間、在2.6與3.4間、在2.8與3.2間及在2.9與3.1間且包括全部端點及其間之子範圍的比例。此外，如上所述，Y
2O
3及La
2O
3之總濃度係至少5重量%，其包括例如：至少5.5重量%、至少5.7重量%、至少6重量%、至少6.3重量%、至少6.5重量%、至少6.8重量%、至少7重量%、至少7.2重量%及至少7.5重量%之總濃度。類似地，Y
2O
3及La
2O
3之總濃度可不大於15重量%，其包括例如：不大於9.6重量%、不大於9.4重量%、不大於9.2重量%、不大於9重量%、不大於8.8重量%、不大於8.4重量%及不大於8重量%之總濃度。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可合計地包括大於5重量%且小於10重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其包括：在5.5與9.8重量%間、在5.8與9.5重量%間、在6.0與9.2重量%間、在6.3與9重量%間、在6.5與8.8重量%間、在7與8.5重量%之間及在7.2與8.2重量%之間且包括全部端點及其間之範圍的之Y
2O
3及La
2O
3。
個別地就這些氧化物而言，該玻璃組成物可包括至少4重量%之Y
2O
3，其包括例如：至少4.2重量%、至少4.4重量%、至少4.6重量%、至少4.8重量%、至少5重量%、至少5.2重量%、至少5.5重量%、至少5.4重量%、至少5.6重量%及至少5.8重量%之Y
2O
3。類似地，該玻璃組成物可包括不大於8重量%之Y
2O
3，其包括例如：不大於7.8重量%、不大於7.5重量%、不大於7.3重量%、不大於7重量%、不大於6.8重量%、不大於6.5重量%及不大於6.3重量%之Y
2O
3。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括大於5重量%至小於8重量%之Y
2O
3，其包括：在5.4重量%至7.5重量%間、在5.6重量%至7重量%間及在5.8重量%至6.7重量%間且包括全部端點及其間之範圍的Y
2O
3。
此外，該玻璃組成物可包括至少0.5重量%之La
2O
3，其包括例如：至少0.75重量%、0.9重量%、1重量%、至少1.3重量%、至少1.5重量%、至少1.7重量%、至少1.9重量%及至少2重量%之La
2O
3。類似地，該玻璃組成物可包括不大於4重量%之La
2O
3，其包括例如：不大於3.8重量%、不大於3.5重量%、不大於3.3重量%、不大於3重量%、不大於2.8重量%、不大於2.5重量%及不大於2.3重量%之La
2O
3。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括大於1重量%至小於4重量%之La
2O
3，其包括：在1.4重量%至3.5重量%間、在1.6重量%至3重量%間及在1.8重量%至2.7重量%間且包括全部端點及其間之範圍的La
2O
3。
包括上述Y
2O
3及La
2O
3之協同混合物有助於減少CaO及MgO之合計濃度，因此使對於造成將二氧化碳導入該玻璃批料之該等原料石灰石、白雲石及菱鎂石之需求較低。因此，該玻璃組成物中之CaO及MgO之總濃度不應大於18重量%，例如不大於17.5重量%、不大於17.2重量%、不大於17重量%、不大於16.8重量%、不大於16.5重量%、不大於16.2重量%及不大於16重量%。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括CaO及MgO。
該玻璃組成物更可有利地包括至少9重量%且不大於13重量%之MgO。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括至少9.2重量%之MgO，其包括例如：至少9.5重量%、至少9.8重量%、至少10重量%、至少10.2重量%及至少10.5重量%之MgO。類似地，在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括小於13重量%之一MgO濃度，其包括：不大於12.8重量%、不大於12.6重量%、不大於12.4重量%、不大於12.2重量%、不大於12.0重量%、不大於11.8重量%及不大於11.5重量%之一MgO濃度。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包含在9與小於13.0重量%間、在9.3與12.8重量%間、在9.5與12.5重量%間或在9.8與12.2重量%間且包括全任何端點及其間之子範圍的一MgO濃度。
如上所述，相較於習知組成物，該玻璃組成物包括一減低濃度之CaO，其在製造時減少碳排放，同時亦增加形成之纖維的彈性模數。因此，該玻璃組成物可包括不大於6重量%之CaO，且在某些情形中，不大於5.5重量%之CaO。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括不大於5.2重量%之一CaO濃度，其包括例如：不大於5重量%、不大於4.8重量%及不大於4.7重量%之CaO。類似地，任一示範實施例可包括最少3重量%之CaO，例如最少3.2重量%、3.5重量%、3.7重量%、3.9重量%及4.1重量%之CaO。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括在3與6.0重量%間之CaO，其包括：在3.5與5.8重量%間、在3.8與5.5重量%間、在4與5.2重量%間及在4.1與小於5.0重量%間之CaO。
MgO及CaO之總濃度係使得SiO
2對MgO及CaO之合計濃度之比率(R2=SiO
2/(CaO+MgO))可特別地訂製成在3.1與3.75之間，其包括：在3.2與3.6之間及在3.3與3.55之間且包括全部端點及其間之子範圍。SiO
2係主要玻璃形成劑(O-Si-O鍵結，且4個氧對各矽及2個氧對各矽)且該鹼土氧化物CaO及MgO對該結構貢獻在該玻璃形成劑鍵結中產生二非橋接氧(NBO)之Ca
2+及Mg
2+陽離子。3.75以上之SiO
2/(CaO+MgO)的一比率表示該結構中有太多橋接氧，因此導致高黏度且由於需要到達成形黏度所需之高溫而難以成形。3.1以下之SiO
2/(CaO+MgO)的一比率會產生許多NBO及一非常破碎或撓性結構，因此導致一低黏度以及一低強度及模數。對成形及在市場中之應用兩者而言，已經找到SiO
2/(CaO+MgO)比率值之一平衡來獲得期望之性質。
該玻璃組成物更包括至少50重量%及小於58重量%之SiO
2。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括至少51重量%之SiO
2，其包括：至少52重量%、至少52.5重量%、至少53重量%、至少53.5重量%、至少53.8重量%、至少54重量%及至少54.15重量%之SiO
2。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括不大於60重量%之SiO
2，其包括：不大於58重量%、不大於57.5重量%、不大於57重量%、不大於56.5重量%、不大於56重量%及不大於55.5重量%之SiO
2。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括大於50重量%至小於58重量%、大於52重量%至小於57重量%、大於53重量%至小於56.5重量%或在53.2重量%與55.8重量%間且包括任何端點及其間之子範圍的SiO
2。
為獲得期望機械及纖維化性質，該玻璃組成物之一重要特性係具有至少18重量%且不大於23重量%之一Al
2O
3濃度。包括大於18重量%且特別是至少18.5重量%之一Al
2O
3濃度通常可確保由該組成物形成之玻璃纖維可獲得以下更詳細所述之一足夠彈性模數。包括大於23重量%之一Al
2O
3通常使該玻璃液相增加至該纖維化溫度以上之一值，因此產生一負ΔT。
在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括至少18.8重量%之Al
2O
3，其包括：至少19重量%、至少19.3重量%、至少19.5重量%、至少19.7重量%、至少19.8重量%及至少20重量%之Al
2O
3。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括不大於22.8重量%之Al
2O
3，其包括：不大於22.5重量%、不大於22重量%、不大於21.7重量%、不大於21.5重量%、不大於21.3重量%及不大於21重量%之Al
2O
3。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括在18.6與22重量%間之Al
2O
3，其包括：在18.9與21.5重量%間及在大於19重量%且小於21重量%間且包括任何端點及其間之子範圍的Al
2O
3。
在任一示範實施例中，該SiO
2及Al
2O
3具有特別訂製在2.5與3.0間之一比率R3(R3=SiO
2/Al
2O
3)，其包括：在2.6與2.95間及在2.7與2.9間且包括全部端點及其間之子範圍的比率R3。如前所述，SiO
2係主要玻璃形成劑。但是，Al
2O
3亦係一玻璃形成劑且用於提高該玻璃結構中之連接度。因此，必須有足夠Al
2O
3存在以提高該玻璃形成劑網絡之連接性，但沒有太多Al
2O
3使該網絡之結晶變得太密集，因此維持一低液相溫度。已發現的是2.7至2.9之比率對於增加模數同時維持一可接受液相溫度特別有利。
該玻璃組成物可另外地包括至少1重量%之鹼金屬氧化物Li
2O、Na
2O及K
2O(統稱為「R
2O」)，同時維持3重量%以下之一總R
2O濃度。詳而言之，Li
2O係一特殊鹼氧化物，因為它加入在該玻璃結構中產生一NBO之期望Li
+陽離子，因此降低熔化及成形黏度。該玻璃結構亦具有一高場強度(或低離子半徑)，因此容許該玻璃結構位相地更靠近在一起(密集)，這使該網絡整體地硬化。因為透過使用較高品質原料來有效地減少或移除Na
2O及K
2O，所以Li
2O之量可增加以增加模數，同時防止該黏度變成太接近該液相溫度。
該玻璃組成物可包括至少大於0.8重量%之量的Li
2O，其包括例如：至少0.85重量%、至少0.95重量%、至少1.05重量%、至少1.15重量%、至少1.25重量%、至少1.4重量%及至少1.5重量%之Li
2O。類似地，該玻璃組成物包括小於3重量%之Li
2O，其包括例如：不大於2.8重量%、不大於2.5重量%、不大於2.3重量%、不大於2重量%、不大於1.8重量%及不大於1.6重量%之Li
2O。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可包括大於0.9重量%至2.5重量%，其包括在1.1重量%與2.1重量%之間、在1.3重量%與1.9重量%之間及在1.4重量%與1.7重量%之間且包括全部端點及其間之範圍。
在某些實施例中，該玻璃組成物可沒有或實質上沒有Li
2O及/或鹼金屬氧化物。在此使用之「實質上沒有」表示小於1重量%，例如小於0.75重量%、小於0.5重量%、小於0.25重量%、小於0.1重量%、小於0.05重量%或小於0.025重量%之一量。因此，在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括小於0.75重量%之Li
2O，其包括：小於0.5重量%、小於0.3重量%、小於0.15重量%、小於0.075重量%及小於0.05重量%之Li
2O。
該玻璃組成物可包括至少0.01重量%之個別或合計量的Na
2O及/或K
2O。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括0至1.0重量%之Na
2O，其包括：0.01至0.5重量%、0.03至0.4重量%及0.06至0.3重量%且包括全部端點及其間之範圍的Na
2O。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可更包括0至1重量%之K
2O，其包括：0.01至0.5重量%、0.03至0.3重量%及0.04至0.15重量%且包括全部端點及其間之範圍的K
2O。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可沒有Na
2O及/或K
2O。
該玻璃組成物可更包括至少0.01重量%之個別或合計量的TiO
2及/或Fe
2O
3。例如，在任一示範實施例中，該玻璃組成物可選擇地包括0重量%至1.5重量%之TiO
2，其包括：0.01重量%至1重量%及0.1至0.6重量%之TiO。該玻璃組成物可更選擇地包括最高至1重量%之Fe
2O
3。在某些示範實施例中，該玻璃組成物包括0重量%至0.8重量%之Fe
2O
3，其包括：0.01重量%至0.6重量%及0.1至0.35重量%且包括全部端點及其間之範圍的Fe
2O
3。
該等玻璃組成物可更包括雜質及/或微量材料且未不利地影響該等玻璃或該等纖維。這些雜質可進入該玻璃成為原料雜質或可為由該熔融玻璃與爐成分之化學反應形成的產物。微量材料之非限制例包括例如：鍶(SrO)、鋇(BaO)及其組合。該等微量材料可以其氧化物形式呈現且可更包括氟及/或氯。在某些示範實施例中，本發明之玻璃組成物包含不大於2重量%，包括例如：小於1重量%、小於0.5重量%、小於0.2重量%、小於0.1重量%及小於0.05重量%之各BaO、SrO、P
2O
5、ZrO
2、ZnO及SO
3。在任一示範實施例中，該玻璃組成物可未包括這些組成物中之一或多個。因此，在任一示範實施例中，該玻璃組成物沒有BaO、SrO、P
2O
5、ZrO
2、ZnO及SO
3中之任一或多個。
該等玻璃組成物可沒有或實質地沒有Ba
2O
3，但任一玻璃組成物可少量地添加以調整該纖維化及完成玻璃性質且若維持在數百分比以下則不會不利地影響該等性質。因此，在任一示範實施例中，該玻璃組成物包括小於1重量%之Ba
2O
3，其包括：小於0.75重量%、小於0.5重量%、小於0.3重量%、小於0.15重量%、小於0.075重量%及小於0.05重量%之Ba
2O
3。
該玻璃組成物可更包括不大於1.0重量%之量的氟(F)。例如，在任一示範實施例中，該玻璃組成物可選擇地包括0重量%至0.9重量%之F，其包括0.01重量%至0.75重量%及0.05%至0.5重量%且包括全部端點及其間之範圍的F。
在此使用之用語「重量百分比」、「重量%」、「wt.%」及「重量之百分比」可互換地使用且欲表示以全組成物為基礎之重量百分比(或重量之百分比)。
以下，表1提供依據本發明觀念配製之不同示範組成範圍。
表1
| 示範範圍A | 示範範圍B | 示範範圍C | |
| SiO 2 | 50 – 58 | 52 – 56 | 53 – 55 |
| Al 2O 3 | 18 – 23 | 18.5 – 22 | 19-21 |
| CaO | 3 – 6 | 3.5 – 5.5 | 4 – 5 |
| MgO | 9 – 13 | 9.5 – 12.5 | 10 – 11.5 |
| SiO 2/(MgO+CaO) | 3.1 – 3.7 | 3.2 – 3.68 | 3.3 – 3.55 |
| Y 2O 3 | 4 – 7.5 | 5 – 7 | 5.5 – 6.5 |
| La 2O 3 | 0.5 – 3 | 1 – 2.5 | 1.3 – 2.2 |
| Y 2O 3+La 2O 3 | 5 – 10 | 6.5 – 9 | 7.5 – 8.5 |
| Na 2O + K 2O | 0 – 1 | 0.01 – 0.5 | 0.05 – 0.1 |
| Li 2O | 0 – 2 | 0.95 – 1.8 | 1.2 – 1.65 |
| Fe 2O 3 | 0 – 0.5 | 0.07 – 0.3 | 0.09 – 0.25 |
| F | 0 – 1 | 0.01 – 0.75 | 0.05 – 0.5 |
| TiO 2 | 0 – 0.6 | 0.01 – 0.5 | 0.03 – 0.3 |
如上所述，本發明之玻璃組成物意外地展示一最佳彈性模數，同時維持期望之成形性質，其包括：1,300℃以下之纖維化溫度、1,250℃以下(或在某些示範實施例中，1,200℃以下)之液相溫度及較佳為至少10℃之一正ΔT值。
該纖維抗拉強度在此亦只稱為「強度」。在某些示範實施例中，該纖維抗拉強度係依據ASTM D2343-09使用一Instron拉伸測試裝置對初始纖維(即未上漿且未觸碰之實驗室生產纖維)進行測量。由在此揭露之本發明玻璃組成物形成的示範玻璃纖維可具有至少4,400 MPa之一纖維抗拉強度，其包括：至少4,450 MPa、至少4,500 MPa、至少4,530 MPa、至少4,550 MPa、至少4,570 MPa、至少4,590 MPa、至少4,600 MPa、至少4,630 MPa及至少4,650 MPa之纖維抗拉強度。在某些示範實施例中，由本發明玻璃組成物形成之示範玻璃纖維具有4,450至4,900 MPa之一纖維抗拉強度，其包括：4,500 MPa至4,800 MPa、4,550至4,750 MPa且包括全部端點及其間之範圍的纖維抗拉強度。
一玻璃纖維之彈性模數可用不同方式決定。在某些示範實施例中，該彈性模數係由一音波技術決定，該音波技術係藉由採用依據在1965年6月23日，報告編號NOLTR 65-87之「美國海軍兵工實驗室之玻璃纖維拉伸及測量設備(Glass Fiber Drawing and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory)」報告中概述之音波測量程序測得的五條單一玻璃纖維的平均測量值來提供該音波纖維彈性模數。該彈性模數可進一步決定為一整體模數，其係依據ASTM C1259來執行。
由本發明玻璃組成物形成之示範玻璃纖維可具有至少93 GPa之一音波纖維彈性模數，其包括：至少93.5 GPa、至少94.0 GPa、至少94.5 GPa、至少95 GPa、至少95.3 GPa、至少95.5 GPa、至少95.8 GPa或至少96 GPa之音波纖維彈性模數。在任一示範實施例中，由本發明玻璃組成物形成之示範玻璃纖維可具有93.5 GPa與120 GPa間之一彈性模數，其包括：94 GPa與105 GPa間及95 GPa與100 GPa間且包括全部端點及其間之範圍的彈性模數。
在任一示範實施例中，在此揭露之玻璃組成物形成具有2.2 g/cc至3.0 g/cc間之一密度的玻璃纖維。該密度可藉由例如阿基米德(Archimedes)法(ASTM C693-93(2008))之在所屬技術領域中習知且通常被接受的任何方法對未退火整體玻璃進行測量。在任一示範實施例中，該等玻璃纖維可具有2.3 g/cc至2.85 g/cc間之一密度，其包括：2.5 g/cc至2.8 g/cc、2.55至2.75 g/cc及2.6至2.7 g/cc之密度。
該密度及彈性模數決定比模數。需要具有一高比模數以便獲得使最終物件增加剛性之一輕量複合材料。比模數在產品之剛性為一重要參數的應用中，例如在風能及航太應用中是重要的。在此使用之比模數係由以下方程式計算而得：
比模數(MJ/kg)=音波纖維彈性模數(GPa)/密度(kg/立方公尺)
由本發明玻璃組成物形成之示範玻璃纖維具有33 MJ/kg至40 MJ/kg之一比模數，其包括：34 MJ/kg至37 MJ/kg及34.5 MJ/kg至36 MJ/kg之比模數。在任一示範實施例中，該等玻璃纖維可具有34.6 MJ/kg至35 MJ/kg間之一比模數。
依據某些示範實施例，提供用於由上述玻璃組成物製備玻璃纖維之一方法。該等玻璃纖維可藉由在所屬技術領域中習知且傳統地使用之任何手段來形成。在某些示範實施例中，該等玻璃纖維係藉由取得原始配料及用適當量混合該等配料以產生最終組成物之期望重量百分比來形成。該方法可更包括呈熔融形態之本發明玻璃組成物及抽拉該熔融組成物通過一套管中之孔口以形成一玻璃纖維。
該玻璃組成物之成分可由包括但不限於下列適合配料或原料獲得：用於SiO
2之砂或葉蠟石、石灰石、燒石灰、矽灰石、或用於CaO之白雲石、高嶺土、用於Al
2O
3之鋁土或葉蠟石、白雲石、白雲石生石灰、水鎂石、頑火灰石、滑石、燒菱鎂石或用於MgO之菱鎂石及用於該Na
2O之碳酸鈉、鈉長石或硫酸鈉。在某些示範實施例中，玻璃屑可用於供應一或多個所需氧化物。如上所述，該標的玻璃組成物包括一減低量之石灰石、白雲石及菱鎂石。
接著在一爐或熔化器中熔化該混合批料且使得到之熔融玻璃沿著一前爐通過並被拉伸通過設置在該前爐底部之一套管的孔口以形成獨立之玻璃長絲。在某些示範實施例中，該爐或熔化器係一傳統耐火熔化器。藉由使用由耐火塊形成之一耐火槽，與由本發明組成物製成之玻璃纖維的生產相關的製造成本可減少。在某些示範實施例中，該套管係一鉑合金系套管。接著藉由將該等獨立長絲聚集在一起形成多條玻璃纖維束。該等纖維束可用適合應用意圖之一習知方式捲繞及進一步處理。
該熔化器、前爐及套管中之玻璃的操件溫度可選擇成適當地調整該玻璃之黏度且可使用例如控制裝置之適當方法來維持。在該熔化器之前端的溫度可自動地控制以減少或消除去玻作用。該熔融玻璃可接著被拉(抽拉)通過該套管之底部或緊板中之孔或孔口以形成玻璃纖維。依據某些示範實施例，流過該等套管孔口之熔融玻璃流藉由將由複數獨立長絲形成之一纖維束捲繞在安裝於一捲繞機之一可旋轉筒夾的一成形管上而拉細成長絲或以一可調適速度切斷。本發明之玻璃纖維可藉由在此所述之任一方法或用於形成玻璃纖維之任何習知方法獲得。
該等纖維可用適合應用意圖之一習知方式捲繞及進一步處理。例如，在某些示範實施例中，該等玻璃纖維可用所屬技術領域中具有通常知識者習知之一上漿組成物上漿。該上漿組成物沒有限制，且可為適合施加於玻璃纖維之任何上漿組成物。該等上漿纖維可用於強化基材，例如產品之最終用途需要高強度及剛性以及低重量的各種塑膠。該等應用包括但不限於：用於形成風力發電機葉片之非編織墊及編織織物；基礎結構，例如強化混凝土、橋樑等；及航太結構。示範編織織物包括例如：單向、單軸、多軸及縫合織物等。
在這方面，本發明之某些示範實施例包括具有上述本發明玻璃纖維且與一可硬化基質材料組合之一複合材料。這在此亦可稱為一強化複合產品。該基質材料可為所屬技術領域中具有通常知識者習知之任何適當熱塑性或熱固性樹脂，例如但不限於：如聚酯、聚丙烯、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯及聚丁烯之熱塑性塑料，及如環氧樹脂、不飽和聚酯、酚、乙烯酯及彈性體之熱固性樹脂。這些樹脂可單獨或組合使用。該強化複合產品可用於風力發電機葉片、鋼筋、管路、繞線、消音器填料及吸音材等。
依據另外之示範實施例，本發明提供製備上述複合產品之一方法。該方法可包括組合至少一聚合物基質材料及複數玻璃纖維。該聚合物基質材料及該等玻璃纖維可如上所述。
例子
依據本發明之示範玻璃組成物係藉由按照比例量混合批料成分以獲得具有以下表2、3及4中所示之氧化物重量百分比的一最終玻璃組成物。
該等原料係在一電熱爐中之一鉑坩堝中在1,600℃之一溫度熔化3小時。該纖維化溫度係如名稱為「用於在軟化點以上測量玻璃黏度之標準實務(Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point)」之ASTM C965-96(2007)中所述地使用一旋轉壓缸法來測量，且其內容在此加入作為參考。該液相溫度係如名稱為「用於測量玻璃之液相溫度的標準實務(Standard Practices for Measurement of Liquidus Temperature of Glass)」之ASTM C829-81(2005)中界定地藉由在一鉑合金舟中將玻璃暴露於一溫度梯度16小時來測量，且其內容在此加入作為參考。密度係如在名稱為「用於玻璃浮力之密度的標準測試方法(Standard Test Method for Density of Glass Buoyancy)」之ASTM C693-93(2008)中詳述地藉由阿基米德法來測量，且其內容在此加入作為參考。
該彈性模數係依據在1965年6月23日，報告編號NOLTR 65-87之「美國海軍兵工實驗室之玻璃纖維拉伸及測量設備(Glass Fiber Drawing and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory)」報告中概述的測量程序，藉由該音波纖維程序來測量。該比模數係藉由將單位為GPa之測得彈性模數除以單位為kg/m
3之密度來計算。
該強度係依據名稱為「用於強化塑膠中使用之玻璃纖維束、紗線及紗束的拉伸性質的標準測試方法(Standard Test Method for Tensile Properties of Glass Fiber Strands, Yarns, and Rovings Used in Reinforced Plastics)」之ASTM D2343-09使用一Instron拉伸測試裝置對初始纖維進行測量，且其內容在此加入作為參考。
表2
表3
表4
| 比較例1 (wt.%) | 比較例2 (wt.%) | 比較例3 (wt.%) | 比較例4 (wt.%) | 例1 (wt.%) | 例2 (wt.%) | 例3 (wt.%) | 例4 (wt.%) | 例5 (wt.%) | |
| SiO 2 | 58.8 | 59.9 | 57 | 57 | 55 | 54.76 | 53.75 | 53.69 | 54.18 |
| Al 2O 3 | 17 | 16.54 | 20 | 20 | 20 | 19.98 | 19.99 | 19.98 | 19.88 |
| SiO 2/Al 2O 3 | 3.45 | 3.62 | 2.85 | 2.85 | 2.75 | 2.74 | 2.69 | 2.69 | 2.73 |
| CaO | 5.5 | 5.38 | 4 | 5 | 4.5 | 4.50 | 4.49 | 4.49 | 4.37 |
| MgO | 10.5 | 11.55 | 11 | 10 | 11 | 10.99 | 10.98 | 10.98 | 11.04 |
| CaO+MgO | 16.0 | 16.93 | 15 | 15 | 15.5 | 15.49 | 15.47 | 15.47 | 15.41 |
| SiO 2/ (MgO+CaO) | 3.675 | 3.54 | 3.8 | 3.8 | 3.55 | 3.54 | 3.47 | 3.47 | 3.51 |
| Y 2O 3 | 5 | 4.71 | 4 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| La 2O 3 | 0.6 | 0 | 2 | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Na 2O | 0.27 | 0.05 | --- | --- | ---- | 0.07 | 0.08 | 0.22 | 0.067 |
| K 2O | 0.48 | 0.1 | --- | --- | ---- | 0.06 | 0.16 | 0.25 | 0.123 |
| Li 2O | 0.75 | 1.03 | 2 | 1.8 | 1.5 | 1.50 | 1.50 | 1.50 | 1.52 |
| Fe 2O 3 | 0.43 | 0.24 | --- | --- | ---- | 0.07 | 0.28 | 0.21 | 0.245 |
| TiO 2 | 0.41 | 0.5 | --- | 0.2 | 0 | 0.02 | 0.59 | 0.51 | 0.567 |
| Y 2O 3/La 2O 3 | 8.33 | N/A | 2 | N/A | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 纖維化溫度(˚C) | 1,305 | 1,273 | 1,201 | 1,257 | 1,249 | 1,241 | 1,239 | 1,235 | 1,232 |
| 液相溫度(˚C) | 1,205 | 1,252 | 1,213 | 1,178 | 1,196 | 1,201 | 1,199 | ---- | 1,192 |
| ΔT(˚C) | 100 | 21 | -12 | 79 | 53.9 | 40 | 40 | ---- | 40 |
| 密度(g/cm 3) | 2.66 | 2.65 | 2.74 | 2.67 | 2.7191 | 2.73 | 2.73 | ---- | 2.73 |
| 音波纖維模數(GPa) | 90.4 | 93.8 | 98.0 | 94.15 | 94.7 | 95 | 95.1 | 95 | 94.9 |
| 比較例6 (wt.%) | 比較例7 (wt.%) | 比較例8 (wt.%) | 比較例9 (wt.%) | 例6 (wt.%) | 例7 (wt.%) | 例8 (wt.%) | 例9 (wt.%) | 例10 (wt.%) | |
| SiO 2 | 54.67 | 50.89 | 53.84 | 55.5 | 53.93 | 53.7 | 53 | 53.5 | 55 |
| Al 2O 3 | 22.24 | 22.92 | 18.43 | 21 | 20 | 20 | 22 | 21.5 | 21 |
| SiO 2/Al 2O 3 | 2.45 | 2.22 | 2.92 | 2.64 | 2.7 | 2.69 | 2.41 | 2.49 | 2.62 |
| CaO | 7.99 | 4.47 | 8.29 | 3.5 | 4.5 | 4.5 | 5 | 5 | 4.5 |
| MgO | 9.39 | 12.46 | 10.27 | 11 | 11 | 11 | 12 | 12 | 11 |
| CaO+MgO | 17.38 | 16.93 | 18.56 | 14.5 | 15.5 | 15.5 | 17 | 17 | 15.5 |
| SiO 2/ (MgO+CaO) | 3.14 | 3.01 | 2.74 | 3.83 | 3.48 | 3.46 | 3.12 | 3.14 | 3.54 |
| Y 2O 3 | 5 | 5.49 | 3 | 4 | 6 | 6 | 4 | 4 | 5 |
| La 2O 3 | 0 | 1.5 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Na 2O | 0.5 | 0.034 | 0.12 | 0 | 0.04 | 0.07 | --- | --- | --- |
| K 2O | 0 | 0.01 | 0.12 | 0 | 0.15 | 0.26 | --- | --- | --- |
| Li 2O | 0 | 2.2 | 2 | 2 | 1.5 | 1.5 | 2 | 2 | 1.5 |
| Fe 2O 3 | 0.16 | 0.012 | 0.32 | 0 | 0.283 | 0.3 | --- | --- | --- |
| TiO 2 | 0.03 | 0.009 | 0.64 | 0 | 0.592 | 0.6 | --- | --- | 0 |
| Y 2O 3/La 2O 3 | N/A | 3.66 | 1 | 1.33 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2.5 |
| 纖維化溫度(˚C) | --- | 1,200.6 | 1,196.1 | 1,200.6 | 1,239 | 1,230 | 1,206 | 1,208 | 1,253 |
| 液相溫度(˚C) | 1,267 | 1,213.9 | 1,173.3 | 1,213.9 | 1,199 | 1,191 | 1,188 | 1,227 | |
| ΔT(˚C) | --- | -13.3 | 22.8 | -13.3 | 39.6 | 15 | 20 | 26 | |
| 密度(g/cm 3) | 2.69 | 2.744 | 2.732 | 2.744 | 2.7333 | 2.7262 | 2.71 | 2.71 | 2.70 |
| 音波纖維模數(GPa) | 91.3 | 98 | 94.1 | 98 | 95.0 | 95.1 | 96.2 | 96.2 | 94.7 |
| 例11 (wt.%) | 例12 (wt.%) | 例13 (wt.%) | 例14 (wt.%) | 例15 (wt.%) | 例16 (wt.%) | |
| SiO 2 | 52.5 | 54 | 54 | 53.8 | 54 | 54.1 |
| Al 2O 3 | 22.5 | 20.2 | 20.2 | 20.2 | 20.2 | 20.5 |
| SiO 2/Al 2O 3 | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 2.67 | 2.7 | 2.64 |
| CaO | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 5 |
| MgO | 12.5 | 11.1 | 11.1 | 11.1 | 11.1 | 11.1 |
| CaO+MgO | 17 | 15.6 | 15.6 | 15.6 | 15.6 | 15.6 |
| SiO 2/ (MgO +CaO) | 3.1 | 3.5 | 3.5 | 3.4 | 3.5 | 3.5 |
| Y 2O 3 | 4 | 6 | 6 | 6.5 | 6.5 | 6 |
| La 2O 3 | 2 | 2 | 2 | 2.5 | 2.5 | 2 |
| Na 2O | ---- | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| ZrO2 | ---- | 0.5 | 1 | ---- | ---- | ---- |
| K 2O | ---- | ---- | ---- | 0.2 | 0.2 | 0.1 |
| Li 2O | 2 | 1 | 0.5 | 1 | 0.8 | 1 |
| Fe 2O 3 | ---- | 0.15 | 0.15 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
| TiO 2 | ---- | 0.35 | 0.35 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
| Y 2O 3/La 2O 3 | 2 | 3 | 3 | 2.6 | 2.6 | 3 |
| 纖維化溫度(˚C) | 1,208.3 | 1,251.7 | 1269.4 | 1254.4 | 1261.9 | 1254.7 |
| 液相溫度(˚C) | 1,204.2 | 1,226.9 | 1,242.2 | 1231.1 | 1245 | 1235 |
| ΔT(˚C) | 4.1 | 24.8 | 27.2 | 23.3 | 16.9 | 19.7 |
| 密度(g/cm 3) | 2.72 | 2.74 | 2.75 | 2.75 | 2.75 | 2.73 |
| 音波纖維模數(GPa) | 96.64 | 95.0 | 94.8 | 94.7 | 94.5 | 94.7 |
表2、3及4顯示該標的玻璃組成物克服挑戰以獲得具有特別均衡之成形性質(即，1,300℃以下之一纖維化溫度、不大於1,250℃(且較佳地不大於1,200℃)之一液相溫度及一正ΔT(較佳為至少10℃之一ΔT)的一玻璃，其具有優於習知高性能玻璃(比較例)之至少94.5 GPa的一較佳音波纖維彈性模數。該等比較習知玻璃組成物無法獲得在一單一玻璃組成物中之這些參數且因此已在此所述之特定玻璃組成物內辨識出一重要技術效應。如上所述，因為對由其形成之一複合產品之整個纖維重量比例放大一纖維彈性模數之一增加，所以即使該增加表面上微小亦可對該產品的性質產生大影響。
詳而言之，如表2中所示，比較例1、2及4各落在至少二需要參數(即，高二氧化矽、低氧化鋁、低鑭及低鋰(只有比較例1))以外且無法獲得至少94.5 GPa之一彈性模數。比較例3及4包括3.75以上之一SiO
2/(MgO+CaO)濃度且這差異產生比較例3中之一負ΔT及比較例4中之一低彈性模數。在表3中，比較例6及8顯示一低彈性模數且二比較玻璃組成物包括2.0及4.0之需要比率以外的一Y
2O
3/La
2O
3比率及其他差異。比較例7及8各包括3.1至3.75之需要比率以外的一SiO
2/(MgO+CaO)比率，因此產生對處理而言無法接受之一負ΔT值。相反地，例1至16各落於在此所述之特定要求及關係內且產生具有1,300℃以下之纖維化溫度、不大於1,250℃之液相溫度及正ΔT值(較佳為至少10℃)的玻璃組成物，同時亦產生具有至少94.5 GPa之音波纖維彈性模數值的玻璃纖維。
段落1. 一種玻璃組成物，其包含：50.0至58.0重量%之量的SiO
2；18.0至23.0重量%之量的Al
2O
3；小於18.0重量%之CaO及MgO；至少5.0重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2.0與4.0間之一比率R1(R1=Y
2O
3/La
2O
3)；大於1.0重量%至2.0重量%之量的Li
2O；0.0至0.1重量%之量的Na
2O；0.0至0.2重量%之量的K
2O；0.0至0.5重量%之量的TiO
2，其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))，其中該玻璃組成物具有小於1,300℃之一纖維化溫度，不大於1,250℃之一液相溫度及至少10℃之一ΔT，且其中由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
段落2. 如段落1之玻璃組成物，其中該組成物包括4.0至8.0重量%之Y
2O
3及0.5至4.0重量%之La
2O
3。
段落3. 如段落1與2中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物包括不大於17.0重量%之CaO及MgO。
段落4. 如段落1至3中任一段落之節能高性能玻璃組成物，其中該組成物包含18.3至21.5重量%之Al
2O
3。
段落5. 如段落1至4中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物實質上沒有B
2O
3。
段落6. 如段落1至5中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物包含1.25重量%至小於2.0重量%之Li
2O。
段落7. 如段落1至6中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物具有小於1,270℃之一纖維化溫度。
段落8. 如段落1至7中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物具有小於1,250℃之一纖維化溫度。
段落9. 如段落1至8中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物具有在2.5與3.0間之一比率R3(R3=SiO
2/Al
2O
3)。
段落10. 如段落1至9中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物具有在2.8與3.1間之一比率R1。
段落11. 如段落1至10中任一段落之玻璃組成物，其中該組成物更包括最高至1.0重量%之氟。
段落12. 一種由玻璃組成物形成之玻璃纖維，該玻璃組成物包含：50.0至56.0重量%之量的SiO
2；18.0至23.0重量%之量的Al
2O
3；小於18.0重量%之CaO及MgO；4.5至8.0重量%之量的Y
2O
3；0.5至4.0重量%之量的La
2O
3；其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2.0與4.0間之一比率R1(R1=Y
2O
3/La
2O
3)；0.0至0.5重量%之量的Na
2O+K
2O；0.0至0.5重量%之量的TiO
2，其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))，其中該玻璃纖維具有在2.55 g/cc至2.8 g/cc間之一密度及至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
段落13. 如段落12之玻璃纖維，其中該玻璃組成物包含18.5至21.5重量%之Al
2O
3。
段落14. 如段落12至13中任一段落之玻璃纖維，其中該玻璃組成物包括在2.5與3.0間之一比率R3(R3=SiO
2/Al
2O
3)。
段落15. 如段落12至14中任一段落之玻璃纖維，其中該組成物包含0.5至2.0重量%之Li
2O。
段落16. 如段落12至15中任一段落之玻璃纖維，其中該組成物包括大於7.0重量%之一總量的Y
2O
3及La
2O
3。
段落17. 一種形成連續玻璃纖維之方法，其包含：提供如段落1至11中任一段落之一熔融組成物；及抽拉該熔融組成物通過一孔口以形成一連續玻璃纖維。
段落18. 一種強化複合產品，其包含：一聚合物基質；及由一玻璃組成物形成之複數玻璃纖維。該玻璃組成物包含：50.0至58.0重量%之量的SiO
2；18.0至23.0重量%之量的Al
2O
3；小於18.0重量%之CaO及MgO；至少5.0重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2.0與4.0間之一比率(R1=Y
2O
3/La
2O
3)；大於1.0%重量%至2.0重量%之量的Li
2O；0.0至0.1重量%之量的Na
2O；0.0至0.2重量%之量的K
2O；0.0至0.5重量%之量的TiO
2，其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))，其中該玻璃組成物具有不大於1,250℃之一液相溫度及在10℃與60℃間之一ΔT，且其中由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
段落19. 如段落18之強化複合產品，其中該強化複合產品係呈一風力發電機葉片之形式。
段落20. 如段落18與19中任一段落之強化複合產品，其中該組成物包括4.0至8.0重量%之Y
2O
3及0.5至4.0重量%之La
2O
3。
段落21. 如段落18至20中任一段落之強化複合產品，其中該組成物包括不大於17.0重量%之CaO及MgO。
段落22. 如段落18至21中任一段落之強化複合產品，其中該組成物包含18.3至21.5重量%之Al
2O
3。
段落23. 如段落18至22中任一段落之強化複合產品，其中該組成物包含1.25重量%至小於2.0重量%之Li
2O。
段落24. 如段落18至23中任一段落之強化複合產品，其中該組成物具有小於1,270℃之一纖維化溫度。
段落25. 如段落18至24中任一段落之強化複合產品，其中該組成物具有在2.5與3.0間之一比率R3(R3=SiO
2/Al
2O
3)。
段落26. 如段落18至25中任一段落之強化複合產品，其中該組成物具有在2.8與3.1間之一比率R1。
段落27. 一種玻璃組成物，其包含：50.0至58.0重量%之量的SiO
2；18.0至23.0重量%之量的Al
2O
3；小於18.0重量%之CaO及MgO；及至少5.0重量%之Y
2O
3及La
2O
3，其中Y
2O
3及La
2O
3具有在2.0與4.0間之一比率(R1=Y
2O
3/La
2O
3)，其中該玻璃組成物具有在1,200℃與1,300℃間之一纖維化溫度及至少10℃之一ΔT，且其中由該玻璃組成物形成之一玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
段落28. 如段落27之玻璃組成物，其中該組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO
2/(MgO+CaO))。
段落29. 如段落27或28之高性能玻璃組成物，其中該玻璃組成物具有在1,150℃與1,250℃間之一液相溫度。
段落30. 如段落27至29中任一段落之高性能玻璃組成物，其中該玻璃組成物具有在1,210℃與1,260℃間之一纖維化溫度。
以上已通用地且針對特定實施例說明本申請案之發明。雖然已在相信是較佳實施例中提出本發明，但可在該通用揭示內選擇所屬技術領域中具有通常知識者習知之各種不同替代例。本發明只受限於以下提出之申請專利範圍的陳述。
Claims (30)
- 一種玻璃組成物，其包含： 50至58重量%之量的SiO 2； 18至23重量%之量的Al 2O 3； 小於18重量%之CaO及MgO； 至少5重量%之Y 2O 3及La 2O 3，其中Y 2O 3及La 2O 3具有在2與4間之一比率R1(R1=Y 2O 3/La 2O 3)； 大於1重量%至2重量%之量的Li 2O； 0至0.1重量%之量的Na 2O； 0至0.2重量%之量的K 2O；及 0至0.5重量%之量的TiO 2， 其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO 2/(MgO+CaO))， 其中該玻璃組成物具有小於1,300℃之一纖維化溫度、不大於1,250℃之一液相溫度及至少10℃之一ΔT，且 其中由該玻璃組成物形成之玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
- 如請求項1之玻璃組成物，其中該組成物包括： 4至8重量%之Y 2O 3；及 0.5至4重量%之La 2O 3。
- 如請求項1與2中任一項之玻璃組成物，其中該組成物包括不大於17重量%之CaO及MgO。
- 如請求項1至3中任一項之玻璃組成物，其中該組成物包含18.3至21.5重量%之Al 2O 3。
- 如請求項1至4中任一項之玻璃組成物，其中該組成物實質上沒有B 2O 3。
- 如請求項1至5中任一項之玻璃組成物，其中該組成物包含1.25重量%至小於2重量%之Li 2O。
- 如請求項1至6中任一項之玻璃組成物，其中該組成物具有小於1,270℃之一纖維化溫度。
- 如請求項1至7中任一項之玻璃組成物，其中該組成物具有小於1,250℃之一纖維化溫度。
- 如請求項1至8中任一項之玻璃組成物，其中該組成物具有在2.5與3間之一比率R3(R3=SiO 2/Al 2O 3)。
- 如請求項1至9中任一項之玻璃組成物，其中該組成物具有在2.8與3.1間之一比率R1。
- 如請求項1至10中任一項之玻璃組成物，其中該組成物更包括最高至1重量%之氟。
- 一種由玻璃組成物形成之玻璃纖維，該玻璃組成物包含： 50至56重量%之量的SiO 2； 18至23重量%之量的Al 2O 3； 小於18.0重量%之CaO及MgO； 4.5至8重量%之量的Y 2O 3； 0.5至4重量%之量的La 2O 3； 其中Y 2O 3及La 2O 3具有在2與4間之一比率R1(R1=Y 2O 3/La 2O 3)； 0至0.5重量%之量的Na 2O+K 2O；及 0至0.5重量%之量的TiO 2， 其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO 2/(MgO+CaO))， 其中該玻璃纖維具有在2.55 g/cc至2.8 g/cc間之一密度及至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
- 如請求項12之玻璃纖維，其中該玻璃組成物包含18.5至21.5重量%之Al 2O 3。
- 如請求項12至13中任一項之玻璃纖維，其中該玻璃組成物包括在2.5與3間之一比率R3(R3=SiO 2/Al 2O 3)。
- 如請求項12至14中任一項之玻璃纖維，其中該組成物包含1至2重量%之Li 2O。
- 如請求項12至15中任一項之玻璃纖維，其中該組成物包括大於7重量%之一總量的Y 2O 3及La 2O 3。
- 一種形成連續玻璃纖維之方法，其包含： 提供熔融的如請求項1至11中任一項之組成物；及 抽拉該熔融的組成物通過一孔口以形成一連續玻璃纖維。
- 一種強化複合產品，其包含： 一聚合物基質；及 複數玻璃纖維，其由一玻璃組成物形成，該玻璃組成物包含： 50至58重量%之量的SiO 2； 18至23重量%之量的Al 2O 3； 小於18重量%之CaO及MgO； 至少5重量%之Y 2O 3及La 2O 3，其中Y 2O 3及La 2O 3具有在2與4間之一比率(R1=Y 2O 3/La 2O 3)； 大於1重量%至2重量%之量的Li 2O； 0至0.1重量%之量的Na 2O； 0至0.2重量%之量的K 2O；及 0至0.5重量%之量的TiO 2， 其中該玻璃組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO 2/(MgO+CaO))， 其中該玻璃組成物具有不大於1,250℃之一液相溫度及在10℃與60℃間之一ΔT，且 其中由該玻璃組成物形成之玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
- 如請求項18之強化複合產品，其中該強化複合產品係呈一風力發電機葉片之形式。
- 如請求項18與19中任一項之強化複合產品，其中該組成物包括： 4至8重量%之Y 2O 3；及 0.5至4重量%之La 2O 3。
- 如請求項18至20中任一項之強化複合產品，其中該組成物包括不大於17重量%之CaO及MgO。
- 如請求項18至21中任一項之強化複合產品，其中該組成物包含18.3至21.5重量%之Al 2O 3。
- 如請求項18至22中任一項之強化複合產品，其中該組成物包含1.25重量%至小於2重量%之Li 2O。
- 如請求項18至23中任一項之強化複合產品，其中該組成物具有小於1,270℃之一纖維化溫度。
- 如請求項18至24中任一項之強化複合產品，其中該組成物具有在2.5與3間之一比率R3(R3=SiO 2/Al 2O 3)。
- 如請求項18至25中任一項之強化複合產品，其中該組成物具有在2.8與3.1間之一比率R1。
- 一種玻璃組成物，其包含： 50至58重量%之量的SiO 2； 18至23重量%之量的Al 2O 3； 小於18重量%之CaO及MgO；及 至少5重量%之Y 2O 3及La 2O 3，其中Y 2O 3及La 2O 3具有在2與4間之一比率(R1=Y 2O 3/La 2O 3)； 其中該玻璃組成物具有在1,200℃與1,300℃間之一纖維化溫度及至少10℃之一ΔT，且 其中由該玻璃組成物形成之玻璃纖維具有至少94.5 GPa之一音波纖維彈性模數。
- 如請求項27之玻璃組成物，其中該組成物具有在3.1與3.75間之一比率R2(R2=SiO 2/(MgO+CaO))。
- 如請求項27或28之玻璃組成物，其中該玻璃組成物具有在1,150℃與1,250℃間之一液相溫度。
- 如請求項27至29中任一項之玻璃組成物，其中該玻璃組成物具有在1,210℃與1,260℃間之一纖維化溫度。
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