ES2773984T3 - Composición de fibra de vidrio de alto módulo, y fibra de vidrio y material compuesto de la misma - Google Patents
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Abstract
Composición de fibra de vidrio de alto módulo, en la que, que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso: **(Ver tabla)** en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6.
Description
DESCRIPCIÓN
Composición de fibra de vidrio de alto módulo, y fibra de vidrio y material compuesto de la misma
La presente solicitud reivindica prioridad de la solicitud de patente china n.° 201610403705.7 presentada el 7 de junio de 2016 y titulada “high-modulus glass fiber composition, glass fiber and composite material therefrom’’.
Campo de la invención
La invención se refiere a composiciones de fibra de vidrio de alto módulo, en particular, a composiciones de fibra de vidrio de alto módulo que pueden usarse como material base de refuerzo para materiales compuestos avanzados, y a la fibra de vidrio y al material compuesto a partir de las mismas.
Antecedentes de la invención
La fibra de vidrio es un material de fibra inorgánico que puede usarse para reforzar resinas para producir materiales compuestos con buen rendimiento. Como material base de refuerzo para materiales compuestos avanzados, se usaron originalmente fibras de vidrio de alto módulo principalmente en la industria de defensa nacional, tal como 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 módulo se han usado ampliamente en campos civiles e industriales tales como palas eólicas, recipientes a presión, tuberías de crudo de petróleo en alta mar y la industria del automóvil.
Las composiciones de vidrio de alto módulo originales se basaron en un sistema de MgO-AhO3-SiO2, y una composición típica era el S-2 Glass desarrollado por la empresa OC de EE.UU. Su módulo es de 89-90 GPa; sin embargo, la producción de S-2 Glass es excesivamente difícil, ya que su temperatura de conformado es de hasta aproximadamente 1571°C y su temperatura del liquidus es de hasta 1470°C y, por tanto, es difícil realizar la producción industrial a gran escala. Luego la empresa OC abandonó la producción de fibra de S-2 Glass y asignó la patente a la empresa AGY de EE.UU.
Después de eso, la empresa OC ha desarrollado el vidrio HiPer-tex. Su módulo es de 87-89 GPa, que fue una compensación para la escala de producción sacrificando algunas de las propiedades del vidrio. Sin embargo, ya que estas soluciones diseñadas sólo realizaron una mejora simple sobre el S-2 Glass, la temperatura de conformado y la temperatura del liquidus de la fibra de vidrio eran todavía altas y la producción de vidrio siguió siendo muy difícil, también es difícil realizar producción en hornos de cuba a gran escala. Luego la empresa OC abandonó la producción de fibra de vidrio HiPer-tex y asignó la patente de fibra de vidrio HiPer-tex a la empresa 3B de Europa. Saint-Gobain de Francia ha desarrollado el vidrio R que se basa en un sistema de MgO-CaO-ALO3-SiO2, y su módulo es de 86-89 GPa. Sin embargo, el contenido total de SiO2 y AhO3 permanece alto en el vidrio R tradicional, y no existe una solución eficaz para mejorar el rendimiento de cristalización, ya que la razón de Ca con respecto a Mg se diseña de manera inapropiada, provocándose así una dificultad en la formación de fibras, así como un gran riesgo de cristalización, alta tensión superficial y dificultad de refinamiento del vidrio fundido. La temperatura de conformado es de hasta aproximadamente 1410°C y la temperatura del liquidus es de hasta 1350°C. Todo esto ha provocado atenuación en la atenuación de fibra de vidrio y, por consiguiente, dando como resultado la realización de producción en hornos de cuba a gran escala.
El Nanjing Fiberglass Research & Design Institute Co. Ltd en China ha desarrollado el vidrio HS2 que tiene un módulo de 84-87 GPa. El vidrio HS2 comprende principalmente SiO2 , Al2O3 y MgO, y también se introducen determinadas cantidades de Li2O, B2O3 , CeO2 y Fe2O3 ; su temperatura de conformado es de sólo aproximadamente 1245°C y su temperatura del liquidus es de 1320°C. Ambas temperaturas son mucho menores que las de la fibra de vidrio S. Sin embargo, debido a que su temperatura de conformado es inferior que su temperatura del liquidus, dando como resultado así un valor de A T negativo, que no es favorable para el control de la atenuación de fibras de vidrio, la temperatura de conformado tiene que aumentarse y las puntas especialmente formadas de la boquilla han de usarse para impedir que se produzca el fenómeno de cristalización del vidrio en el procedimiento de estirado de fibras. Esto provoca dificultad en el control de la temperatura y también hace difícil realizar la producción en hornos de cuba a gran escala.
En resumen, se ha encontrado que, diversas clases de fibras de vidrio de alto módulo en esta fase enfrentan generalmente dificultad en la producción en producción en hornos de cuba a gran escala, tal como alta temperatura del liquidus, alta tasa de cristalización, alta temperatura de conformado, alta tensión superficial y dificultad de refinamiento del vidrio fundido, y un intervalo de temperaturas estrecho ( A T) para la formación de fibras e incluso un AT negativo. Por estos motivos, la mayoría de las empresas tienden a reducir la dificultad de producción sacrificando algunas de las propiedades del vidrio. Por tanto, el módulo de las fibras de vidrio mencionadas anteriormente no puede mejorarse con el crecimiento de la escala de producción, y el cuello de botella del módulo ha permanecido mucho tiempo sin resolverse en la producción de la fibra de vidrio S.
El documento WO2014/062715 da a conocer fibras de vidrio de alto módulo que comprenden SiO2 , AhO3, CaO y
MgO con adiciones de Y2O3.
El documento CN105392744A da a conocer fibras de vidrio de alto módulo que comprenden SÍO2 , AI2O3 , CaO y MgO. En algunas realizaciones se añade al menos un óxido de tierras raras que comprende al menos uno de La2O3, Y2O3 , Sc2O3 y Nd2O3 a la composición.
Sumario de la invención
La presente invención tiene como objetivo proporcionar una composición de fibra de vidrio de alto módulo que pueda resolver los problemas antes mencionados. La composición puede no sólo mejorar significativamente el módulo del vidrio, sino que también resuelve los problemas de producción de los vidrios de alto módulo tradicionales, tales como alto riesgo de cristalización, dificultad de refinamiento y la dificultad de la realización de producción en hornos de cuba a gran escala eficiente. La composición puede reducir significativamente la temperatura del liquidus, la tasa de cristalización de vidrio fundido y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones y, por tanto, es más adecuada para la producción en hornos de cuba a gran escala de fibra de vidrio de alto módulo con una baja cantidad de burbujas.
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona una composición de fibra de vidrio que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6.
En la que, el contenido total de La2O3 y CeO2 se restringe además para que sea del 0,1-2% en porcentaje en peso. En la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO se restringe además para que sea de 5,8 9,3.
En la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) se restringe además para que sea de 0,9-1,6.
En la que, el contenido de Li2O se restringe además para que sea del 0,05-0,55% en porcentaje en peso.
En la que, el contenido de Y2O3 se restringe además para que sea del 0,5-3,9% en porcentaje en peso.
En la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) se restringe además para que sea de 0,75-0,97.
En la que, la composición de fibra de vidrio comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
LÍ2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
LÍ2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
En la que, el contenido de La2O3 se restringe además para que sea del 0,05-1,2% en porcentaje en peso.
En la que, el contenido de CeO2 se restringe además para que sea del 0,05-1% en porcentaje en peso.
En la que, la composición de fibra de vidrio comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
En la que, la composición de fibra de vidrio comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TÍO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
En la que, la composición de fibra de vidrio comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 56,5-58,9%
Al2O3 el 16-19,5%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6,8-9,3%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O el 0,05-0,55%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,75-0,97, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
En la que, el contenido de CaO se restringe además para que sea del 8-9,3% en porcentaje en peso.
En la que, el contenido total de Li2O+Na2O+K2O se restringe además para que sea del 0,4-0,94% en porcentaje en peso.
En la que, el contenido total de Na2O+K2O se restringe además para que sea del 0,15-0,55% en porcentaje en peso. En la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO se restringe además para que sea de 6,7 8.
En la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) se restringe además para que sea de 1,05-1,4.
En la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 se restringe además para que sea mayor de 1.
En la que, el contenido de Y2O3 se restringe además para que sea del 1,3-3,9% en porcentaje en peso.
En la que, el contenido total de Y2O3+La2O3+CeO2 se restringe además para que sea del 1,4-4,2% en porcentaje en peso.
En la que, la composición de fibra de vidrio puede comprender además B2O3 con un intervalo de contenido del 0-3% en porcentaje en peso.
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 fibra de vidrio de alto módulo de esta invención, la principal innovación es que, la composición introduce los óxidos de tierras raras Y2O3, La2O3 y CeO2 , hace un uso completo del efecto de tierras raras mezcladas entre ellas, controla de manera razonable las razones de Y2O3/(Y2O3+La2O3), La2O3/CeO2, SiO2/CaO y MgO/(CaO+SrO), diseña de manera razonable los intervalos de contenido de Y2O3 , La2O3, CeO2 , Li2O,
CaO, MgO, La2O3+CeO2, Y2O3+La2O3+CeO2, Na2O+K2O y LÍ2O+Na2O+K2O, y hace un uso completo del efecto de alcalinotérreos mezclados de CaO, MgO y SrO y el efecto de alcalinos mezclados de K2O, Na2O y LbO; además, la composición introduce de manera selectiva una pequeña cantidad de B2O3.
Específicamente, la composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
LbO+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6.
El efecto y el contenido de cada componente en dicha composición de fibra de vidrio se describe de la siguiente manera:
El SiO2 es un óxido principal que forma la red del vidrio y tiene un efecto de estabilización de todos los componentes. En la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo de contenido restringido de SiO2 es del 55,7-58,9% expresado como porcentaje en peso. Preferiblemente, el intervalo de contenido de SiO2 puede ser del 56,5-58,9% expresado como porcentaje en peso.
El Al2O3 es otro óxido que forma la red del vidrio. Cuando se combina con SiO2 , puede tener un efecto sustancial sobre las propiedades mecánicas del vidrio. El intervalo de contenido restringido de AbO3 en la composición de fibra de vidrio de esta invención es del 15-19,9% expresado como porcentaje en peso. Siendo el contenido de AbO3 demasiado bajo, hará imposible tener altas propiedades mecánicas; siendo el contenido de Al2O3 demasiado alto provocará que la viscosidad del vidrio sea excesivamente alta dando como resultado así problemas de fusión y refinamiento. Preferiblemente, el intervalo de contenido de AbO3 puede ser del 16-19,5% expresado como porcentaje en peso. Más preferiblemente, el intervalo de contenido de AbO3 puede ser del 16,7-19,3% expresado como porcentaje en peso.
El Y2O3 es un importante óxido de tierras raras. Los inventores han encontrado que tiene efectos particulares en la mejora del módulo de elasticidad y la inhibición de la tendencia a la cristalización del vidrio. El ion Y3+ está generalmente en los huecos de la red del vidrio como el ion de modificación de red, para el ion Y3+ es difícil entrar en la estructura del vidrio. El ion Y3+ tiene alto número de coordinación, alta intensidad de campo, alta carga eléctrica y fuerte capacidad de acumulación, y puede tomar oxígeno libre para compensar un defecto de la red, mejorar la estabilidad de la estructura del vidrio y el módulo de elasticidad del vidrio. Mientras tanto, también puede inhibir de manera eficaz el movimiento y la disposición de otros iones, reduciéndose así la tendencia a la cristalización del vidrio. De manera adicional, los inventores han encontrado que, el aumento del contenido de Y2O3 no conduce a un efecto significativo sobre la mejora de las propiedades mecánicas cuando el contenido de Y2O3 excede del 4,3%, y la densidad del vidrio podría aumentarse significativamente, restringiéndose así la mejora del módulo específico y la intensidad específica; en este caso, el módulo específico y la intensidad específica podrían incluso reducirse en determinadas condiciones, lo que no es favorable para la fibra de vidrio de peso ligero.
El La2O3 también es un importante óxido de tierras raras. Los inventores han encontrado que, cuando se usa solo, el La2O3 muestra un efecto más débil en el aumento del módulo y la inhibición de la cristalización, en comparación con el Y2O3. Sin embargo, el efecto sinérgico de la combinación de óxidos de tierras raras es notable cuando estos dos óxidos de tierras raras se usan simultáneamente en una razón controlada de manera razonable entre los dos, y el efecto sobre el aumento del módulo del vidrio y la inhibición de la cristalización del vidrio es inesperadamente superior al del uso separado de Y2O3 o La2O3. En opinión de los inventores, el Y2O3 y el La2O3 son del mismo grupo de óxidos y sus propiedades físicas y químicas son similares excepto porque tienen estados de coordinación diferentes. Generalmente, el ion de itrio se caracteriza por una hexacoordinación mientras que el ion de lantano por una octocoordinación. Por tanto, la combinación de los dos óxidos con una razón diseñada de manera razonable
podría tener los siguientes efectos beneficiosos. En primer lugar, puede ofrecer más estructura de coordinación de iones de modificación de red, siendo la estructura principal un ion de itrio hexacoordinado combinado con un ion de lantano octocoordinado, lo que ayuda a mejorar la estabilidad de la estructura del vidrio y el módulo de elasticidad del vidrio. En segundo lugar, el óxido de lantano puede aumentar la cantidad de oxígeno libre y fomentar más transiciones de [AlO6] a [AO4], potenciándose así adicionalmente la integridad de la estructura del vidrio y aumentando el módulo del vidrio. En tercer lugar, ya que diversos iones se restringen entre sí, la probabilidad de una disposición regular de iones también se reducirá cuando se reduzca la temperatura, ayudándose así a reducir significativamente la tasa de crecimiento de cristales y mejorar además la resistencia a la cristalización del vidrio. Sin embargo, ya que la masa molar y los radios iónicos del lantano son relativamente grandes, y demasiados iones octocoordinados podrían afectar a la estabilidad de la estructura, la cantidad añadida de lantano no debería ser muy alta.
El CeO2 es un importante agente de refinamiento de vidrio de tierras raras. Los inventores han encontrado que la sustitución de parte del Y2O3 o el La2O3 con una pequeña cantidad de CeO2 puede tener un efecto significativo en el aumento del módulo del vidrio y la inhibición de la cristalización del vidrio, y el efecto será más pronunciado cuando se usen simultáneamente los tres óxidos de tierras raras, es decir, Y2O3 , La2O3 y CeO2 , con razones diseñadas de manera razonable entre sí. En opinión de los inventores, por un lado, el CeO2 puede proporcionar más oxígeno libre con respecto a itrio para compensar un defecto de la red; por otro lado, los tres iones de tierras raras con radios iónicos e intensidades de campo diferentes pueden potenciar el efecto de apilamiento compacto de la estructura, que no sólo potencia adicionalmente la integridad de la estructura del vidrio y mejora las propiedades del vidrio, sino que también refuerza la fuerza de retención entre los iones para mejorar el rendimiento de cristalización del vidrio.
Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de Y2O3 es del 0,1-4,3% expresado como porcentaje en peso. Preferiblemente, el intervalo restringido del contenido de Y2O3 puede ser del 0,5-3,9% expresado como porcentaje en peso. Más preferiblemente, el intervalo restringido del contenido de Y2O3 puede ser del 1,3-3,9% expresado como porcentaje en peso. El intervalo restringido del contenido de La2O3 es de menos del o igual al 1,5% expresado como porcentaje en peso. Preferiblemente, el intervalo restringido del contenido de La2O3 puede ser del 0,05-1,2% expresado como porcentaje en peso. El intervalo restringido del contenido de CeO2 es de menos del o igual al 1,2% expresado como porcentaje en peso. Preferiblemente, el intervalo restringido del contenido de CeO2 puede ser del 0,05-1% expresado como porcentaje en peso.
Mientras tanto, el intervalo restringido de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6. Preferiblemente, el intervalo restringido de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) puede ser mayor de 0,7. Más preferiblemente, el intervalo restringido de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) puede ser de 0,75-0,97. Mientras tanto, el intervalo del contenido total de La2O3+CeO2 puede ser adicionalmente del 0,1-2% expresado como porcentaje en peso. El intervalo de la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 puede ser adicionalmente mayor de 1. El intervalo del contenido total de Y2O3+La2O3+CeO2 puede ser adicionalmente del 1,4-4,2% expresado como porcentaje en peso.
El CaO, MgO y SrO tienen principalmente el efecto de control de la cristalización del vidrio, la regulación de la viscosidad del vidrio y el control de la velocidad de endurecimiento del vidrio fundido. Se han obtenido efectos inesperados especialmente sobre el control de la cristalización del vidrio controlando el contenido de CaO, MgO y SrO y las razones de los mismos. Generalmente, la fase cristalina después de la cristalización de vidrios de alto rendimiento basados en un sistema de MgO-CaO-Al2O3-SiO2 comprende principalmente diópsido (CaMgSi2O6) y anortita (CaAbSi2O8). Para inhibir de manera eficaz la tendencia a la cristalización de las dos fase cristalinas, reducir la temperatura del liquidus y la tasa de cristalización del vidrio, diseñando de manera razonable los intervalos de contenido de CaO, MgO y SrO y las razones de los mismos, que hacen un uso completo del efecto de alcalinotérreos mezclados para alcanzar una estructura compacta de apilamiento, es necesaria más energía para formar y hacer crecer los núcleos de los cristales, inhibiéndose así la tendencia a la cristalización del vidrio y optimizando de manera eficaz la velocidad de endurecimiento del vidrio fundido. Los inventores han encontrado que, el contenido de MgO en la composición de esta invención se aumenta en gran medida en comparación con el contenido de vidrio R tradicional y vidrio R mejorado, y la composición puede tener mayor módulo de elasticidad, inferior temperatura y tasa de cristalización cuando el intervalo del contenido de MgO se mantiene de manera rígida al 9,05-9,95% expresado como porcentaje en peso y el intervalo de la razón de porcentajes en peso de MgO/(CaO+SrO) se diseña de manera razonable para que sea de 0,9-1,6. Los inventores han encontrado adicionalmente que, el crecimiento de anortita podría controlarse de manera eficaz para inhibir la tendencia a la cristalización del vidrio controlando de manera razonable la razón de SiO2/CaO, ya que el impulso del crecimiento de diópsido es relativamente fuerte en los dos cristales debido al contenido relativamente alto de MgO en la composición de esta invención.
Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de MgO es del 9,05-9,95% expresado como porcentaje en peso. El intervalo restringido del contenido de CaO es del 6-10% expresado como porcentaje en peso. Preferiblemente, el intervalo del contenido de CaO puede ser del 6,8-9,3% expresado como porcentaje en peso.
De manera adicional, en algunas soluciones técnicas, el intervalo del contenido de CaO puede ser adicionalmente del 8-9,3% expresado como porcentaje en peso. El intervalo del contenido de SrO puede ser adicionalmente menos del o igual al 2% expresado como porcentaje en peso.
Mientras tanto, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO puede ser adicionalmente de 5,8-9,3. Preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO puede ser de 6,3-8,5. Más preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO puede ser de 6,7-8. El intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) puede ser adicionalmente de 0,9-1,6. Preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) puede ser de 1-1,5. Más preferiblemente, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) puede ser de 1,05-1,4.
Tanto el K2O como el Na2O son buenos agentes fundentes que pueden reducir la viscosidad del vidrio. Los inventores han encontrado que, sustituyendo el Na2O por K2O mientras que se mantiene la cantidad total de óxidos de metales alcalinos sin cambiar puede reducir la tendencia a la cristalización del vidrio y mejorar el rendimiento de obtención de fibras. El Li2O puede no sólo reducir la viscosidad del vidrio de manera drástica para mejorar el rendimiento de fusión, sino también ayudar de manera notable a mejorar las propiedades mecánicas, en comparación con el Na2O y el K2O. Además, una pequeña cantidad de Li2O puede proporcionar oxígeno libre considerable, fomentándose así más iones de aluminio para formar una coordinación tetraédrica que podría ayudar a reforzar la red del vidrio y reducir adicionalmente la tendencia a la cristalización del vidrio. Pero la cantidad añadida de iones de metales alcalinos no debe ser demasiado alta, ya que el alto contenido de iones de metales alcalinos reducirá la resistencia a la corrosión del vidrio. De manera adicional, los óxidos de tierras raras tienen una alcalinidad relativamente fuerte, y pueden desempeñar un papel similar al de los óxidos de metales alcalinos y los óxidos de metales alcalinotérreos en algunos aspectos. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo del contenido total de Li2O+Na2O+K2O es de menos del o igual al 0,99% expresado como porcentaje en peso. El intervalo del contenido de Li2O es de menos del o igual al 0,65% expresado como porcentaje en peso. El intervalo del contenido total de Li2O+Na2O+K2O puede ser adicionalmente del 0,4-0,94% expresado como porcentaje en peso. El intervalo del contenido de Li2O puede ser adicionalmente del 0,05-0,55% expresado como porcentaje en peso. El intervalo del contenido total de Na2O+K2O puede ser adicionalmente del 0,15-0,55% expresado como porcentaje en peso.
La introducción de Fe2O3 facilita la fusión del vidrio y también puede mejorar las propiedades de cristalización del vidrio. Sin embargo, ya que los iones férricos y los iones ferrosos tienen efectos de coloración, debería limitarse la cantidad introducida. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de Fe2O3 es de menos del 1% expresado como porcentaje en peso.
El TiO2 puede no sólo reducir la viscosidad del vidrio a alta temperatura, sino también tener un determinado efecto fundente. Sin embargo, ya que los iones de titanio tienen efectos de coloración, en la composición de fibra de vidrio de esta invención, el intervalo restringido del contenido de TiO2 es del 0,1-1,5% expresado como porcentaje en peso. Preferiblemente, el intervalo de contenido de TiO2 puede ser del 0,1-1% expresado como porcentaje en peso.
En la composición de fibra de vidrio de esta invención, puede introducirse de manera selectiva una pequeña cantidad de B2O3, que puede mejorar adicionalmente el rendimiento de cristalización del vidrio. Por tanto, en la composición de fibra de vidrio de la presente invención, el intervalo restringido del contenido de B2O3 puede ser del 0-3% expresado como porcentaje en peso.
Además de los componentes mencionados anteriormente, puede estar presente una pequeña cantidad de otros componentes en la composición de vidrio según la presente invención, y el porcentaje en peso total de los otros componentes es de menos del o igual al 2%.
En la composición de fibra de vidrio de la presente invención, los efectos beneficiosos producidos por los intervalos seleccionados mencionados anteriormente de los componentes se explicarán a través de los datos experimentales proporcionados a continuación.
Las siguientes son realizaciones de intervalos de contenido preferidos de los componentes contenidos en la composición de fibra de vidrio según la presente invención.
Realización preferida 1
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3.
Realización preferida 2
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,75-0,97.
Realización preferida 3
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
Realización preferida 4
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
Realización preferida 5
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
Realización preferida 6
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
Realización preferida 7
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 56,5-58,9%
Al2O3 el 16-19,5%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6,8-9,3%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O el 0,05-0,55%
Fe2O3 menos del1%
TiO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,75-0,97, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
Realización preferida 8
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 8-9,3%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
LÍ2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
LÍ2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
Realización preferida 9
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O el 0,4-0,94%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
Realización preferida 10
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TÍO2 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,7-8 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
Realización preferida 11
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1,05-1,4.
Realización preferida 12
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,1-4,3%
La2O3 menos del o igual al 1,5%
CeO2 menos del o igual al 1,2%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1,5%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es mayor de 1.
Realización preferida 13
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiÜ2 el 55,7-58,9%
Al2Ü3 el 15-19,9%
Y2O3 el 1,3-3,9%
La2Ü3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
Realización preferida 14
La composición de fibra de vidrio de alto módulo según la presente invención comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:
SiO2 el 55,7-58,9%
Al2O3 el 15-19,9%
Y2O3 el 0,5-3,9%
La2O3 el 0,05-1,2%
CeO2 el 0,05-1%
La2O3+CeO2 el 0,1-2%
Y2O3+La2O3+CeO2 el 1,4-4,2%
CaO el 6-10%
MgO el 9,05-9,95%
SrO menos del o igual al 2%
Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%
Li2O menos del o igual al 0,65%
Fe2O3 menos del 1%
TiO2 el 0,1-1%
en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3= MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
Descripción detallada de la invención
Para aclarar mejor los propósitos, soluciones técnicas y ventajas de los ejemplos de la presente invención, a continuación, se describen de manera clara y completa las soluciones técnicas en los ejemplos de la presente invención. Obviamente, los ejemplos descritos en el presente documento son sólo parte de los ejemplos de la presente invención y no son todos los ejemplos. Todas las otras realizaciones a modo de ejemplo obtenidas por un experto en la técnica basándose en los ejemplos en la presente invención sin la realización de un trabajo creativo estarán dentro del alcance de protección de la presente invención. Lo que es necesario que quede claro es que, siempre que no exista conflicto, los ejemplos y las características de los ejemplos en la presente solicitud pueden
combinarse de manera arbitraria entre sí.
El concepto de la presente invención es que, la composición de fibra de vidrio comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso: SiO2 el 55,7-58,9%, AbO3 el 15-19,9%, Y2O3 el 0,1-4,3%, La2O3 menos del o igual al 1,5%, CeO2 menos del o igual al 1,2%, CaO el 6-10%, MgO el 9,05-9,95%, SrO menos del o igual al 2%, Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%, Li2O menos del o igual al 0,65%, Fe2O3 menos del 1% y
TiO20,1 -1,5%, y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6. La composición puede no sólo mejorar significativamente el módulo del vidrio, sino también resolver los problemas de producción de vidrio de alto módulo tradicional, tales como el alto riesgo de cristalización, la dificultad de refinamiento y la dificultad de realización de una producción en hornos de cuba a gran escala eficiente. La composición puede reducir significativamente la temperatura del liquidus, la tasa de cristalización de vidrio fundido y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones y, por tanto, es más adecuada para la producción en hornos de cuba a gran escala de fibra de vidrio de alto módulo con baja cantidad de burbujas.
Los valores de contenido específico de SiO2 , AbO3, Y2O3 , La2O3, CeO2 , CaO, MgO, LbO, Na2O, K2O, Fe2O3, TiO2 SrO 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 vidrio S, vidrio R tradicional y vidrio R mejorado en cuanto a los siguientes seis parámetros de propiedades:
(1) Temperatura de conformado, la temperatura a la que el vidrio fundido tiene una viscosidad de 103 poise.
(2) Temperatura del liquidus, la temperatura a la que los núcleos de los cristales comienzan a formarse cuando el cristal fundido se enfría, es decir, la temperatura del límite superior para la cristalización del vidrio.
(3) Valor de A T, que es la temperatura diferencial entre la temperatura de conformado y la temperatura del liquidus e indica el intervalo de temperaturas a la que puede realizarse el estirado de fibras.
(4) Temperatura máxima de cristalización, la temperatura del máximo de cristalización más fuerte en la prueba de DTA (Differential Thermal Analysis, análisis térmico diferencial). Generalmente, cuanto mayor sea la temperatura, más energía es necesaria para hacer crecer los núcleos de los cristales, y la tendencia a la cristalización del vidrio es más pequeña.
(5) Módulo de elasticidad, el módulo en la dirección longitudinal que indica la capacidad del vidrio para resistir la deformación elástica, que va a medirse según la norma ASTM2343.
(6) Cantidad de burbujas, que va a determinarse aproximadamente en un procedimiento explicado de la siguiente manera:
Usar moldes específicos para comprimir los materiales del lote en cada ejemplo en muestras de la misma dimensión, que luego se colocarán en la plataforma de muestras de un microscopio de calentamiento.
Calentar las muestras de vidrio según procedimientos convencionales hasta una temperatura espacial establecida previamente de 1500°C, y luego se enfría la muestra de vidrio hasta la temperatura ambiental sin conservación de calor. Finalmente, se examina cada una de las muestras de vidrio de manera microscópica en un microscopio de polarización para determinar la cantidad de burbujas en las muestras.
En el que, la cantidad de burbujas se identifica según una puntuación específica de la imagen del microscopio.
Los seis parámetros mencionados anteriormente y los métodos de medición de los mismos son bien conocidos por un experto en la técnica. Por tanto, los parámetros mencionados anteriormente pueden usarse de manera eficaz para explicar las propiedades de la composición de fibra de vidrio de la presente invención.
Los procedimientos específicos para los experimentos son de la siguiente manera: cada componente puede adquirirse a partir de los materiales de partida apropiados; los materiales de partida se mezclan en las proporciones apropiadas de manera que cada componente alcance el porcentaje en peso final esperado; el lote mezclado se funde y clarifica; luego el vidrio fundido se estira a través de las puntas de las boquillas, formándose así la fibra de vidrio; la fibra de vidrio se atenúa en la virola rotatoria de un bobinador para formar tortas o envases. Por supuesto, pueden usarse métodos convencionales para procesar de manera profunda estas fibras de vidrio para cumplir los requisitos esperados.
A continuación, se proporcionan las realizaciones a modo de ejemplo de la composición de fibra de vidrio según la presente invención.
Ejemplo 1
SiO2 el 58,2%
AhO3 el 18,0%
CaO el 8,2%
MgO el 9,8%
Y2O3 el 3,4%
La2O3 el 0,43%
CeO2 el 0,1%
Na2O el 0,13%
K2O el 0,30%
Li2O el 0,49%
Fe2O3 el 0,46%
TiO2 el 0,49%
en la que, la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,86, la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 7,11, la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1,20 y la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es de 4,3.
En el ejemplo 1, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de conformado 1298°C
Temperatura del liquidus 1198°C
AT 100°C
Temperatura máxima de cristalización 1037°C
Módulo de elasticidad 97,4 GPa
Cantidad de burbujas 3
Ejemplo 2
SiO2 el 57,8%
Al2O3 el 19,1%
CaO el 7,8%
MgO el 9,5%
Y2O3 el 3,5%
La2O3 el 0,25%
CeO2 el 0,15%
Na2O el 0,20%
K2O el 0,23%
Li2O el 0,51%
Fe2O3 el 0,46%
TiO2 el 0,50%
en la que, la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,90, la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 7,41, la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1,22 y la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es de 1,67.
En el ejemplo 2, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de conformado 1299°C
Temperatura del liquidus 1198°C
AT 101°C
Temperatura máxima de cristalización 1038°C
Módulo de elasticidad 98,5 GPa
Cantidad de burbujas 2
Ejemplo 3
SiO2 el 58,5%
AhO3 el 17,5%
CaO el 8,1%
MgO el 9,8%
Y2O3 el 3,9%
La2O3 el 0,25%
CeO2 el 0,05%
Na2O el 0,11%
K2O el 0,31%
Li2O el 0,50%
Fe2O3 el 0,46%
TiO2 el 0,52%
en la que, la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,93, la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 7,22, la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1,21 y la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es de 5,0.
En el ejemplo 3, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de conformado 1298°C
Temperatura del liquidus 1200°C
AT 98°C
Temperatura máxima de cristalización 1039°C
Módulo de elasticidad 99,4 GPa
Cantidad de burbujas 3
Ejemplo 4
SiO2 el 58,1%
Al2O3 el 18,3%
CaO el 8,1%
MgO el 9,8%
Y2O3 el 3,2%
La2O3 el 0,3%
CeO2 el 0,1%
Na2O el 0,14%
K2O el 0,35%
Li2O el 0,43%
Fe2O3 el 0,46%
TiO2 el 0,72%
en la que, la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,89, la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 7,17, la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1,21 y la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es de 3,0.
En el ejemplo 4, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de conformado 1298°C
Temperatura del liquidus 1201°C
A T 97°C
Temperatura máxima de cristalización 1035°C
Módulo de elasticidad 96,8 GPa
Cantidad de burbujas 3
Ejemplo 5
SiO2 el 58,5%
Al2O3 el 17,4%
CaO el 8,05%
MgO el 9,8%
Y2O3 el 3,6%
La2O3 el 0,07%
CeO2 el 0,05%
Na2O el 0,11%
K2O el 0,31%
Li2O el 0,51%
Fe2O3 el 0,44%
TiO2 el 0,46%
SrO el 0,6%
en la que, la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,97, la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 7,27, la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1,22, y la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es de 1,4.
En el ejemplo 5, los valores medidos de los seis parámetros son respectivamente:
Temperatura de conformado 1298°C
Temperatura del liquidus 1202°C
A T 96°C
Temperatura máxima de cristalización 1035°C
Módulo de elasticidad 98,1
Cantidad de burbujas 4
Las comparaciones de los parámetros de propiedades de los ejemplos mencionados anteriormente y otros ejemplos de la composición de fibra de vidrio de la presente invención con los del vidrio S, vidrio R tradicional y vidrio R mejorado se realizan adicionalmente a continuación por medio de tablas, en las que el contenido de componentes de la composición de fibra de vidrio se expresa como porcentaje en peso. Lo que es necesario que quede claro es que la cantidad total de los componentes en los ejemplos es ligeramente menor del 100%, y debe entenderse que la cantidad restante son impurezas traza o una pequeña cantidad de componentes que no puede analizarse.
Tabla 1A
Tabla 1B
Cantidad de burbujas /piezas 
3 4 Tabla 1C
Puede observarse a partir de los valores en las tablas anteriores que, en comparación con el vidrio S y el vidrio R tradicional, la composición de fibra de vidrio de la presente invención tiene las siguientes ventajas: (1) módulo de elasticidad mucho mayor. (2) Temperatura del liquidus mucho menor, que ayuda a reducir el riesgo de cristalización y aumentar la eficacia del estirado de fibras; temperatura máxima de cristalización mucho mayor, lo que significa que es necesaria mucha más energía para formar y hacer crecer los núcleos de los cristales durante el procedimiento de cristalización, esto quiere decir que, la tasa de cristalización del vidrio fundido de la presente invención es inferior en las mismas condiciones. (3) Cantidad de burbujas mucho menor, lo que significa que el rendimiento de refinamiento del vidrio fundido de la presente invención es excelente.
El vidrio S y el vidrio R tradicional no pueden producirse en horno de cuba. Para reducir la dificultad de la producción en hornos de cuba, el vidrio R tradicional mejorado sacrifica algunas de las propiedades del vidrio para reducir la temperatura del liquidus y la temperatura de conformado. En cambio, la composición de fibra de vidrio de la presente invención puede no sólo proporcionar una temperatura del liquidus suficientemente baja y menos tasa de cristalización, sino que también es adecuada para la producción en hornos de cuba, mejorar en gran medida el módulo de elasticidad del vidrio, y resolver el cuello de botella de que el módulo del vidrio S y el vidrio R no pueden mejorarse con el crecimiento de la escala de producción.
Por tanto, la composición de fibra de vidrio de la presente invención realiza un avance en el módulo de elasticidad,
las propiedades de cristalización y el rendimiento de refinamiento del vidrio, en comparación con los vidrios de alto módulo convencionales, y en gran medida mejora el módulo de elasticidad, reduce el riesgo de cristalización del vidrio fundido y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones y, por tanto, es más adecuada para la producción en hornos de cuba a gran escala de fibra de vidrio de alto módulo con baja cantidad de burbujas.
De manera adicional, la composición de fibra de vidrio que comprende tres clases de óxidos de tierras raras, en comparación con la composición de fibra de vidrio que comprende óxido de itrio como el único óxido de tierras raras (véase el ejemplo A11), tienen las siguientes ventajas excepcionales: (a) temperatura máxima de cristalización mucho mayor, lo que significa que es necesaria más energía para formar y hacer crecer los núcleos de los cristales durante el procedimiento de cristalización, esto quiere decir que, la composición tiene menor tasa de cristalización en las mismas condiciones; y tiene menor temperatura del liquidus, lo que ayuda a reducir el riesgo de cristalización y aumentar la eficacia del estirado de fibras. (b) Módulo de elasticidad mucho mayor. (c) Cantidad de burbujas mucho menor, lo que significa que el rendimiento de refinamiento del vidrio fundido de la presente invención es excelente. Por ejemplo, la temperatura máxima de cristalización del ejemplo A9 se aumentó hasta 14°C, la temperatura del liquidus se disminuyó en 12°C, el módulo de elasticidad se aumentó en 2,5 GPa y la cantidad de burbujas se redujo en el 75%, en comparación con aquellas respectivamente en A11. La composición tiene una mejora notable de diversas propiedades y ofrece efectos técnicos inesperados.
La composición de fibra de vidrio según la presente invención puede usarse para elaborar fibras de vidrio que tienen las excelentes propiedades mencionadas anteriormente.
La composición de fibra de vidrio según la presente invención puede usarse en combinación con uno o más materiales orgánicos y/o inorgánicos para preparar materiales compuestos que tienen excelentes rendimientos, tales como materiales base reforzados con fibra de vidrio.
Finalmente, lo que debe de quedar claro es que, en este texto, los términos “contiene”, “comprende” o cualquier otra variante están destinados a significar “incluye de manera no exclusiva” de manera que cualquier procedimiento, método, artículo o equipo que contiene una serie de factores debe incluir no sólo tales factores, sino también incluir los que no se enumeran de manera explícita, o también incluir factores intrínsecos de tal procedimiento, método, objeto o equipo. Sin más limitaciones, los factores definidos por la expresión “contiene un...” o sus variantes no excluyen que existan otros factores en el procedimiento, método, artículo o equipo que incluye dichos factores. Los ejemplos anteriores se proporcionan con el propósito de ilustración en lugar de limitación de las soluciones técnicas de la presente invención. Aunque la presente invención se describe en detalle por medio de los ejemplos mencionados anteriormente, un experto en la técnica debe entender que también pueden realizarse modificaciones en las soluciones técnicas incorporadas por todos los ejemplos mencionados anteriormente o puede realizarse la sustitución equivalente en algunas de las características técnicas. Sin embargo, tales modificaciones o sustituciones no producirán que las soluciones técnicas resultantes se desvíen sustancialmente de los intervalos de las soluciones técnicas respectivamente incorporadas por todos los ejemplos de la presente invención.
Aplicabilidad industrial de la invención
La composición de fibra de vidrio de la presente invención puede tener no sólo una temperatura del liquidus favorable y menos tasa de cristalización, sino que también es adecuada para la producción en hornos de cuba, mejorar en gran medida el módulo de elasticidad del vidrio, y resolver el cuello de botella de que el módulo del vidrio S y el vidrio R no puede mejorarse con el crecimiento de la escala de producción. La composición de fibra de vidrio de la presente invención realiza un avance en el módulo de elasticidad, las propiedades de cristalización y el rendimiento de refinamiento del vidrio en comparación con el vidrio de alto módulo convencional, mejora en gran medida el módulo de elasticidad, reduce el riesgo de cristalización de vidrio fundido y la cantidad de burbujas en las mismas condiciones y, por tanto, es más adecuada para la producción en hornos de cuba a gran escala de fibra de vidrio de alto módulo con baja cantidad de burbujas.
Claims (15)
- REIVINDICACIONESi. Composición de fibra de vidrio de alto módulo, en la que, que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:SiO2 el 55,7-58,9%Al2O3 el 15-19,9%Y2O3 el 0,1-4,3%La2O3 menos del o igual al 1,5%CeO2 menos del o igual al 1,2%CaO el 6-10%MgO el 9,05-9,95%SrO menos del o igual al 2%Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%Li2O menos del o igual al 0,65%Fe2O3 menos del 1%TiO2 el 0,1-1,5%en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6.
- 2. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que el intervalo del contenido total de La2O3+CeO2 expresado como porcentaje en peso es del 0,1-2%.
- 3. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1 ó 2, en la que el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3.
- 4. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1 ó 2, en la que el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
- 5. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1 ó 2, en la que el contenido de Y2O3 expresado como porcentaje en peso es del 0,5-3,9%.
- 6. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que, que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:SiO2 el 55,7-58,9%Al2O3 el 15-19,9%Y2O3 el 0,1-4,3%La2O3 menos del o igual al 1,5%CeO2 menos del o igual al 1,2%CaO el 6-10%MgO el 9,05-9,95%SrO menos del o igual al 2%Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%Li2O menos del o igual al 0,65%Fe2O3 menos del 1%TiO2 el 0,1-1,5%en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
- 7. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1 ó 6, en la que el contenido de CeO2 expresado como porcentaje en peso es del 0,05-1%.
- 8. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que, que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:SiO2 el 55,7-58,9%Al2O3 el 15-19,9%Y2O3 el 0,1-4,3%La2O3 el 0,05-1,2%CeO2 el 0,05-1%La2O3+CeO2 el 0,1-2%CaO el 6-10%MgO el 9,05-9,95%SrO menos del o igual al 2%Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%Li2O menos del o igual al 0,65%Fe2O3 menos del 1%TiO2 el 0,1-1,5%en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,6, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 5,8-9,3 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 0,9-1,6.
- 9. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que, que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:SiO2 el 55,7-58,9%Al2O3 el 15-19,9%Y2O3 el 0,5-3,9%La2O3 el 0,05-1,2%CeO2 el 0,05-1%La2O3+CeO2 el 0,1-2%CaO el 6-10%MgO el 9,05-9,95%SrO menos del o igual al 2%Li2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%Li2O menos del o igual al 0,65%Fe2O3 menos del 1%TiO2 el 0,1-1%en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es mayor de 0,7, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
- 10. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que, que comprende los siguientes componentes expresados como porcentaje en peso:SiO2 el 56,5-58,9%Al2O3 el 16-19,5%Y2O3 el 0,5-3,9%La2O3 el 0,05-1,2%CeO2 el 0,05-1%La2O3+CeO2 el 0,1-2%CaO el 6,8-9,3%MgO el 9,05-9,95%SrO menos del o igual al 2%LÍ2O+Na2O+K2O menos del o igual al 0,99%LÍ2O el 0,05-0,55%Fe2O3 menos del 1%TÍO2 el 0,1-1%en la que, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C1=Y2O3/(Y2O3+La2O3+CeO2) es de 0,75-0,97, el intervalo de la razón de porcentajes en peso C2= SiO2/CaO es de 6,3-8,5 y el intervalo de la razón de porcentajes en peso C3=MgO/(CaO+SrO) es de 1-1,5.
- 11. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que el contenido total de Li2O+Na2O+K2O expresado como porcentaje en peso es del 0,4-0,94%.
- 12. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 2, en la que el intervalo de la razón de porcentajes en peso C4=La2O3/CeO2 es mayor de 1.
- 13. Composición de fibra de vidrio de alto módulo según la reivindicación 1, en la que el contenido total de Y2O3+La2O3+CeO2 expresado como porcentaje en peso es del 1,4-4,2%.
- 14. Fibra de vidrio, en la que, que se produce a partir de la composición de fibra de vidrio descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
- 15. Material compuesto, en el que, que incorpora la fibra de vidrio descrita en la reivindicación 14.
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