CN104926082A - 在具有耐火材料衬里的熔炉中制造高性能玻璃纤维的方法及用该方法制成的纤维 - Google Patents

在具有耐火材料衬里的熔炉中制造高性能玻璃纤维的方法及用该方法制成的纤维 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在具有耐火材料衬里的熔炉中制造高性能玻璃纤维的方法及用该方法制成的纤维。本发明公开了一种在具有耐火材料衬里的玻璃熔炉中形成高强度玻璃纤维的方法。该具有耐火材料衬里的熔炉适合于将已公开的配合料组合物制成为高模量、和高强度的玻璃纤维。本发明的方法中使用的玻璃组合物具有，高达约70.5wt％SiO2、24.5wt％Al2O3、22wt％碱土金属氧化物并可能包括少量碱金属氧化物和ZrO2。氧化物基耐火材料包括氧化铝、氧化铬、氧化硅、氧化铝-氧化硅、锆石、氧化锆-氧化铝-氧化硅及其组合。与使用铂衬熔炉相比，使用具有氧化物基耐火材料衬里的炉子，玻璃纤维的制造成本大幅降低。本发明还公开了制成的纤维。

Description

在具有耐火材料衬里的熔炉中制造高性能玻璃纤维的方法及用该方法制成的纤维
本申请是申请日为2006年10月31日，名称为“在具有耐火材料衬里的熔炉中制造高性能玻璃纤维的方法及用该方法制成的纤维”的中国专利申请200680041104.0的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种制造连续玻璃纤维的方法及采用该方法制成的纤维，该纤维可在高强度应用中使用。
背景技术
用于制造连续玻璃纤维原丝(glass fiber strand)的最常用玻璃组合物为“E-玻璃”(E-Glass)。E-玻璃的液相线温度约为2100℉(1149℃)或者更低，E-玻璃的一个优点在于它的液相线温度允许生产玻璃纤维的操作温度为约1900℉至2400℉(1038℃至1316℃)。对于在印刷电路板和航空应用中使用的E-玻璃纤维纱，美国材料实验协会(ASTM)分类中定义该组合物为：52至56wt％ SiO2、16至25wt％CaO、12至16wt％Al2O3、5至10wt％ B2O3、0至5wt％ MgO、0至2wt％ Na2O和K2O、0至0.8wt％ TiO2、0.05至0.4wt％ Fe2O3和0至1.0wt％氟。
无硼纤维以商标ADVANTEX(Owens Corning,Toledo,Ohio,USA)出售。无硼纤维，如同在此整体引用的美国专利No.5,789,329所公开的，其在操作温度上提供了一个超过了含硼的E-玻璃的显著进步。无硼玻璃纤维被归入ASTM定义的普遍使用的E-玻璃纤维中。
S-玻璃为一族主要由镁、铝和硅的氧化物组成的玻璃，采用其化学成分生产的玻璃纤维具有比E-玻璃纤维更高的机械强度。用于形成S-玻璃的组合物包含大约65wt％ SiO2、25wt％ Al2O3和10wt％ MgO。S-玻璃的组成最初被设计为在高强度的应用中使用，如：防弹装甲。
R-玻璃为一族主要由硅、铝、镁和钙的氧化物组成的玻璃，采用其化学成分生产的玻璃纤维具有比E-玻璃纤维更高的机械强度。R-玻璃的组成包括大约58-60wt％ SiO2、23.5-25.5wt％ Al2O3、14-17wt％ CaO加MgO、0％ B2O3、0％ F2和少于2wt％的杂质组分。R-玻璃包含比E-玻璃更多的氧化铝和氧化硅，在纤维形成过程中需要更高的熔化和处理温度。典型地，R-玻璃的熔化和处理温度至少高于E-玻璃的相应温度160℃。处理温度的升高需要使用昂贵的铂衬熔炉。除此之外，由于R-玻璃的液相线温度与成型温度的非常接近，因此，要求R-玻璃要在比E-玻璃更低的粘度下纤维化，通常在或者接近1000泊(poise)下纤维化。通常在1000泊粘度下纤维化R-玻璃将可能会导致玻璃失透，从而导致工艺中断和生产效率降低。
表IA-IE列出了一些常规高强度玻璃组合物的成分。
表I-A
表I-B
表I-C
表I-D
表I-E
R-玻璃和S-玻璃是通过在具有铂衬的熔化容器中熔化组合物的组分而生产的。由于在这样的熔化器中生产纤维的成本导致形成R-玻璃和S-玻璃纤维的成本明显高于E-玻璃纤维。因而，在本领域需要一种玻璃组合物形成的方法以及由这种方法生产的纤维，该方法有利于在具有耐火材料衬里的炉中由直接熔化工艺形成高性能玻璃纤维。
发明内容
本发明，部分地，为一种制造玻璃组合物的方法，该玻璃组合物用于形成适合于高强度应用的连续玻璃纤维。本发明中所用的组合物可以在具有耐火材料衬里的炉内使用低成本的、直接熔化法廉价地制成玻璃纤维，由于该玻璃纤维具有相对低的纤维化温度。一旦制成该纤维，该玻璃组合物即提供了高价玻璃纤维如S-玻璃的强度特性，本发明的组合物包含：约60.5至约70.5wt％ SiO2、约10.0至约24.5wt％Al2O3、约6.0至约20.0wt％ RO，其中RO等于MgO,CaO,SrO和BaO之和、和约0.0至约3.0wt％的碱金属氧化物。在一个优选的实施方案中，该玻璃组合物包含约61至约68wt％ SiO2、约15至约19wt％ Al2O3、约15至约20wt％ RO，其中RO等于MgO,CaO,SrO和BaO之和、和约0至约3wt％碱金属氧化物。优选地，该组合物不包含大于约4wt％的选自ZnO、SO3、氟、B2O3、TiO2、ZrO2和Fe2O3的氧化物或卤素。本发明制造的高性能复合纤维的期望性能包括，纤维化温度低于约2650℉以及液相线温度优选低于纤维化温度至少约80℉，更优选低于纤维化温度至少约120℉，最优选低于纤维化温度至少约150℉。
本发明包括一种方法，该方法用于在具有耐火材料衬里的玻璃熔炉中用生玻璃配合料生产精制玻璃。该方法包括将生玻璃配合料装进玻璃熔炉的熔化部，在熔化部熔化该生玻璃配合料然后由熔体形成纤维。本发明还包括通过上述方法形成的纤维。
附图说明
图1为本发明的方法中使用的玻璃熔炉的纵剖图；
图2为图1中的玻璃熔炉沿着线2-2的平剖图；
图3为图1中的玻璃熔炉沿着线3-3的剖面图，图示了与炉的上游端壁相邻的两个燃烧器；
图4为图1中的玻璃熔炉沿着线3-3另一剖面图，图示了与炉的上游端壁相邻的一个燃烧器；
图5为漏板式坩埚装置/支持结构的侧面图，部分为剖面，在本发明的方法中配置用来制备有用的连续玻璃丝。
具体实施方式
本发明的方法中用到的用于形成玻璃纤维的玻璃组合物的纤维化性能包括，纤维化温度，液相线，和delta-T。纤维化温度定义为对应于粘度约1000泊(Poise)的温度。如下详述，降低的纤维化温度减少了纤维的生产成本，延长了坩埚(bushing)寿命，增加了生产量，允许玻璃在具有耐火材料衬里的熔炉中进行熔化，同时减少了能源的使用。例如，在较低的纤维化温度，坩埚在一个较冷的温度下运行而不会很快的“塌陷(sag)”。塌陷是长时间保持高温的坩埚中发生的一种现象。通过降低纤维化温度，可以降低坩埚的塌陷率同时延长坩埚寿命。除此之外，因为在给定的时间和给定的输入能量下，更多的玻璃可以被熔化，所以较低的纤维化温度可以使生产量更高。这样的结果就是，降低了生产成本。除此之外，较低的纤维化温度也将允许用本发明的组合物形成的玻璃在具有耐火材料衬里的熔炉中熔化，因为，它的熔化和纤维化温度都低于上述许多商业上可获得的耐火材料的使用温度。
液相线定义为液相玻璃和它的基本晶体相之间存在平衡的最高温度。在液相线之上的所有温度，玻璃在它的基本相中没有晶体存在。在低于液相线温度时，可能形成晶体。
另一种纤维化性能为Delta-T(△T)，定义为纤维化温度和液相线温度之差。较大的△T在玻璃纤维的形成过程中提供了更大的柔韧性，并在熔化和纤维化过程中有助于阻止玻璃失透(即，熔体中晶体的形成)。通过更长的坩埚寿命和给形成纤维提供更宽的工艺窗口，增加的△T也降低了玻璃纤维的生产成本。
本发明的玻璃适合于在具有耐火材料衬里的玻璃熔炉中熔化，该熔炉在传统商业上可获得并且广泛用于玻璃强化纤维的制造。典型地，初始配合料成分包括：SiO2(磨碎硅砂)，和Al2O3(煅烧氧化铝)，还包括链改性剂(chain modifiers)，其选自源材料，如：MgCO3(菱镁矿)、CaCO3(石灰石)、SrCO3(菱锶矿)、BaCO3(碳酸钡矿)、ZrSiO4(锆石)和Na2CO3(泡碱)。
图1-4显示了一种在此描述的形成所述玻璃纤维的方法中使用的玻璃熔炉10，并在以下的实施例和权利要求中进行阐述。玻璃熔炉10将熔融的玻璃提供给玻璃供料槽12。该熔融玻璃优选包含约60.5至约70.5wt％ SiO2、约10.0至约24.5wt％ Al2O3、约6.0至20.0wt％ RO，其中RO等于MgO,CaO与SrO之和、和约0.0至约3.0wt％碱金属氧化物。典型地，本发明制成的纤维包括少量的ZnO、SO3、氟、B2O3、TiO2和Fe2O3，优选在约4wt％以下的量。除此之外，根据本发明所述的方法和组合物制成的纤维优选具有低于约2650℉的纤维化温度，至少约80℉的△T，优选至少约120℉的△T，最优选至少约150℉的△T，和约2.28×10-6in/in/℉至约2.77×10-6in/in/℉的热膨胀系数(CTE)。进一步，根据本发明的方法制造的玻璃纤维优选具有超过约600KPSI的强度，优选具有超过约630KPSI的强度，并最优选具有超过约695KPSI的强度。进一步，期望该玻璃纤维的模量(modulus)大于约12.0MPSI，优选大于约12.18MPSI，并最优选大于约12.6MPSI。应当理解为，由于这些内容在本技术领域是常规且众所周知的，所以本申请并未提供一些结构的详细描述。
本发明的方法优选使用玻璃熔炉10进行实施，该玻璃熔炉包括狭长的通道，该通道具有上游端壁14a，下游端壁16，侧壁18，底部20和顶部22。玻璃熔炉10的每个构件均由适当的耐火材料制成，如：氧化铝、氧化铬、氧化硅、氧化铝-氧化硅、锆石、氧化锆-氧化铝-氧化硅、或相似的氧化物基耐火材料。顶部22通常为弓形，其横截于组合物通道的纵轴；然而，顶部可以具有任意合适的设计。典型地，顶部22位于玻璃配合料组合物30表面之上约3-10英尺。玻璃配合料组合物30为本发明的玻璃制造工艺中所使用的原料的混合料。玻璃熔炉10可选地包括一个或多个鼓泡器24和/或电助熔电极(未图示)。鼓泡器24和/或电助熔电极增加了整体玻璃的温度同时增加了在配合料壳下的熔融玻璃的循环。
除此之外，玻璃熔炉10可包含两个连续区域，上游熔化部26和下游澄清部28。在熔化部26中，使用一种本领域公知的加料设备32将玻璃配合料组合物30加入熔炉。
在一个合适的熔炉配置中，在玻璃熔炉10的熔化部26内，玻璃配合料30在熔融玻璃的表面形成一固体颗粒配合料层。漂浮的玻璃配合料组合物30的固体配合料颗粒至少部分地被至少一个燃烧器34熔化，该燃烧器具有可控的火焰形态和长度，其安装在玻璃熔炉10的顶部22内。
在一个优选的实施方案中，如图1所示，玻璃熔炉10包括三个燃烧器34。一个单独的燃烧器34设置于两个毗邻设置的下游燃烧器34的上游。然而，下述形式也是认可的，任何数量的燃烧器34都可以设置在熔炉10的顶部22的任何适合的位置，在配合料的上方来熔化玻璃配合料组合物30。例如，两个燃烧器34可以以并排的关系设置(图3)或者使用一个单独的燃烧器(图4)。
在本发明内其它传统熔炉也可以使用，传统的熔炉包括：空气-煤气熔炉，氧气-煤气熔炉，电燃烧熔炉，或任何化石燃料燃烧熔炉。可给任一个熔化方法增加电助熔或鼓泡器。还可包括一单独的澄清部(如图1所示)，或者将澄清部合并至熔炉的主池中。
如图5所示，漏板式坩埚装置100包括坩埚110和坩埚框架210，坩埚110包括坩埚主体120，其中坩埚主体120具有侧壁122和在侧壁122之间延伸的漏嘴板124。主体120设置在衬砖300下面，依次地，衬砖300设置在供料槽310之下。在实施本发明的方法时，熔融玻璃流从供料槽310流入主体120中。供料槽310从熔炉10中接收熔融玻璃(如图1所示)。一供给通道40设置在熔炉10和供料槽310之间用来从熔炉10向供料槽310供给熔融玻璃配合料组合物30。供料槽310和衬砖300可以是传统的结构并可以由耐火材料制作而成。
漏嘴板124包括许多漏嘴124a(这儿也指拉丝漏嘴)，许多熔融玻璃流可以通过其流出。熔融材料流可以通过传统的卷取设备400从漏嘴板124机械地拉出从而形成连续的纤维丝125。纤维丝125在通过上浆施加设备410涂覆上了一浆料组合物保护性涂层后可以聚集成一个单独的连续的原丝125a。连续纤维丝125a可以被缠绕到卷取装置400的旋转套筒402上从而形成丝筒(package)125b。连续纤维丝125也可以被处理成其他期望的复合玻璃材料，包括，但不限于，湿用切短原丝纤维(wet used chopped strand fibers)、干用切短原丝纤维(dry use chopped strand fibers)、连续纤维薄毡、切短原丝薄毡、湿法毡(wet formed mats)或干法毡(air laid mats)。
对本发明进行了一般描述之后，通过下文列举的某些具体实施例，可以更进一步的理解本发明，而提供这些实施例，仅用于说明目的，除另有说明外，并无全面涵盖或限制的企图。
实施例
在表ⅡA-ⅡC中列举的实施例中的玻璃在铂坩埚或在连续的铂衬熔炉中进行熔化，以确定该方式生产的玻璃和纤维的机械和物理性能。测量物理性能的单位为：粘度(℉)、液相线温度(℉)和△T(℉)。在一些实施例中对玻璃进行了纤维化，并测量了强度(KPsi)，密度(g/cc)，模量(MPsi)，软化点(℉)和热膨胀系数(CTE)(in/in/(℉))。
使用旋转轴粘度计测量了纤维化温度。纤维化粘度定义为1000泊(Poise)。液相线通过将一个装满玻璃的铂容器放入热梯度炉中16个小时来测定。其中晶体存在的最高温度被认为是液相线温度。在一玻璃单纤维上使用声频技术来测量模量。拉伸强度在一原单纤维上进行测量。利用膨胀仪在25-600℃的范围内测量CTE。利用ASTM C338纤维伸长法测量软化点温度。
表ⅡA
表Ⅱ-B
表Ⅱ-C
正如本领域所理解的，上述示范性的发明组合物列出的组分总量并不总是100％，这是由于统计的惯例(如：舍去和平均)和某些组合物可能包括上述未列出的杂质的事实。当然，所有组分的实际量，包括所有杂质，在组合物中总体为100％，进一步说，应该这样理解，在组合物中限定的少量的组分，如，类似于约0.05wt％或更少数量级的量，这些组分可以在原料中以痕量的形式存在，而非有意加入的。
除此之外，可以将该组分加入到配合料组合物中，例如，为了促进处理过程，随后将其消除，从而形成了基本不含该组分的的玻璃组合物。然而，例如，在本发明的商业实践中，微量的组分如：氟和硫酸盐，可以在提供氧化硅、氧化钙、氧化铝和氧化镁组分的原料中以痕量杂质的形式存在，或者它们可以是在生产过程中被基本去除的操作助剂。
显然如上述实施例所述，本发明的玻璃纤维组合物具有有益的属性，如，低的纤维化温度以及在液相线温度和纤维化温度之间宽的差别(高△T值)。通过以上的说明和进一步对本发明的实践，其它的优点和本发明明显的改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。本发明的高性能玻璃在相对低的温度下被熔化和澄清，在一个相对低温的宽范围下具有实用的粘度和低的液相线温度范围。
本申请的发明在上文中既通过一般说明又通过相关的特定实施例进行了描述，虽然本发明已经阐述了认为是优选的实施例，但是对于本领域技术人员来说，在已公开的内容中，可以选择出众多可替代的方式。通过以上的说明和进一步对本发明的实践，其它的优点和本发明明显的改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。本发明除了以下阐述的权利要求外，并未作另外限定。

Claims (10)

1.一种在具有耐火材料衬里的玻璃熔炉中由生玻璃配合料制造玻璃纤维的方法，该方法包括如下步骤：将生玻璃配合料加入玻璃熔炉的熔化部的步骤；加热该玻璃配合料至小于2650℉但高于所得玻璃的液相线温度的成型温度从而形成可纤维化的熔融玻璃的步骤；和将所述熔融玻璃纤维化为玻璃纤维的步骤；
其中，所述玻璃配合料包含：
60.5至70.5wt％SiO2；
10至24.5wt％Al2O3；
6-20wt％的RO，其中RO为MgO、SrO、BaO和CaO之和；和
0至3wt％碱金属氧化物，其中所述玻璃配合料包含5.0wt％的最小MgO浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其中玻璃配合料包含：
少于4wt％的选自ZnO、SO3、氟、B2O3、TiO2和Fe2O3的化合物。
3.如权利要求1所述的方法，其中由所述配合料生产的玻璃具有至少80℉的△T，
其中所述纤维化温度为对应于粘度约1000泊的温度，且
其中所述△T为所述纤维化温度和液相线温度之差。
4.如权利要求3所述的方法，其中由所述配合料生产的玻璃具有至少120℉的△T。
5.如权利要求1所述的方法，其中玻璃熔炉具有耐火材料衬里，该耐火材料选自：氧化铝、氧化硅、氧化铬、氧化铝-氧化硅、锆石、氧化锆-氧化铝-氧化硅及其组合。
6.一种在具有耐火材料衬里的玻璃熔炉中通过熔化玻璃配合料制成的玻璃纤维，其方法包括：
将生玻璃配合料加入玻璃熔炉的熔化部的步骤；加热该玻璃配合料至小于2650℉但高于所得玻璃的液相线温度的成型温度从而形成可纤维化的熔融玻璃的步骤；和将所述熔融玻璃纤维化为玻璃纤维的步骤，其中所述玻璃纤维的强度超过630KPSi；
所述玻璃配合料包括：
60.5至70.5wt％SiO2；
10至24.5wt％Al2O3；
6-20wt％的RO，其中RO为MgO、SrO、BaO和CaO之和；
0至3wt％碱金属氧化物，其中所述玻璃配合料包含5.0wt％的最小MgO浓度。
7.如权利要求6所述的玻璃纤维，其中所述玻璃具有至少80℉的△T，
其中所述纤维化温度为对应于粘度约1000泊的温度，且
其中所述△T为所述纤维化温度和液相线温度之差。
8.如权利要求7所述的玻璃纤维，其中所述玻璃具有至少120℉的△T。
9.如权利要求7所述的玻璃纤维，其中所述玻璃具有至少150℉的△T。
10.一种在具有耐火材料衬里的玻璃熔炉中由生玻璃形成材料制造可纤维化的熔融玻璃的方法，该玻璃熔炉具有顶部，底部和侧壁，所述底部和所述侧壁限定出具有熔化部和下游澄清部的狭长通道，该方法包括如下步骤：
将生玻璃配合料加入玻璃熔炉的熔化部的步骤；在玻璃熔炉的顶部提供至少一个燃烧器的步骤；和熔化该玻璃配合料从而形成可纤维化的熔融玻璃的步骤，其中由可纤维化的熔融玻璃生产的玻璃在低于2650°F的成型温度下纤维化；
所述玻璃配合料包含：
60.5-70.5wt％SiO2；
10-24.5wt％Al2O3；
6-20wt％的RO，其中RO为MgO、SrO、BaO和CaO之和；
0至3wt％碱金属氧化物；和
0至3wt％ZrO2，其中所述玻璃配合料包含5.0wt％的最小MgO浓度。
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