[发明专利]高性能玻璃纤维用组合物及由其形成的纤维

说明书

相关申请交叉引用

本申请为申请日为2009年12月21日、申请号为200980156454.5、名称为“高性能玻璃纤维用组合物及由其形成的纤维”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及用于制造连续高强度玻璃纤维的组合物以及由该组合物形成的纤维。

背景技术

用于制备连续高强度玻璃纤维原丝的常用玻璃组合物是“S-玻璃”。术语S-玻璃定义了一族主要由镁、铝和硅的氧化物组成的玻璃，其具有制备机械强度比E-玻璃纤维高的玻璃纤维的化学组成。S-玻璃族的化学组成制备高强度玻璃纤维并且使这些玻璃能够在高强度的应用中使用，例如：防弹装甲。ASTM国际组织将S-玻璃定义为一族主要由镁、铝和硅的氧化物组成的玻璃，其具有符合可应用的材料规格并产生高机械强度(D578-05)的合格的化学组成。德国标准化学会(Deutsches Institut für Normung)(DIN)将S-玻璃定义为不添加CaO的铝硅酸盐玻璃，并且具有部分质量的MgO，其中MgO约为10wt％(铝硅酸盐玻璃定义为一种主要由铝的三氧化物，硅的二氧化物和其它氧化物组成的玻璃)(DIN 1259-1)。

R-玻璃为另外一族高强度、高模量玻璃，该玻璃典型地形成航天复合材料应用中使用的纤维。R-玻璃族主要由氧化硅、氧化铝，氧化镁和氧化钙组成，其化学组成制备的玻璃纤维具有高于S-玻璃纤维的机械强度。R-玻璃一般含有比S-玻璃更少的二氧化硅和更多的氧化钙(CaO)，其在纤维的形成过程中需要较高的熔化和处理温度。

表IA-IE列出了一些传统的高强度玻璃组合物的组成。

表I-A

表I-B

表I-C

表I-D

表I-E

典型地，R-玻璃和S-玻璃通常通过在铂衬里的容器中熔化组合物的组分来制备。由于在这种熔炉中制备纤维的成本，致使形成R-玻璃和S-玻璃纤维的成本显著高于E-玻璃。因此，本领域中需要一种形成玻璃组合物的方法，该组合物有利于从直接熔化工艺形成高性能玻璃纤维。

发明内容

本发明为一种用于形成连续玻璃纤维的玻璃组合物，该玻璃纤维适合在高强度应用中使用。由于该组合物相对较低的纤维化温度，使得该组合物可使用低成本、在耐火材料衬里的熔炉中的直接熔化低廉地形成玻璃纤维。一旦形成为纤维，玻璃组合物提供S-玻璃的强度特征。本发明的一种组合物包括64-75wt％SiO₂、16-24wt％Al₂O₃、8-11wt％MgO和0.25-3.0wt％R₂O，其中R₂O是Li₂O和Na₂O之和。本发明的组合物包括64-75wt％SiO₂、16-24wt％Al₂O₃、8-11wt％MgO和0.25-3.0wt％Li₂O。在一个优选实施方式中，玻璃组合物由64-70wt％SiO₂、17-22wt％Al₂O₃、9-11wt％MgO和1.75-3.0wt％R₂O组成，其中R₂O为Li₂O和Na₂O之和。在另一个优选实施方式中，玻璃组合物由64-70wt％SiO₂、17-22wt％Al₂O₃、9-11wt％MgO和1.75-3.0wt％Li₂O组成。组合物优选不含有多于5.0wt％的选自下组的氧化物或化合物，该组由CaO、P₂O₅、ZnO、ZrO₂、SrO、BaO、SO₃、F₂、B₂O₃、TiO₂和Fe₂O₃组成。