[发明专利]以直接熔化操作制造高强度玻璃纤维的方法以及由此形成的产品

说明书

本发明的技术领域和工业适用范围

本发明总体上涉及制造用于高强度应用的连续玻璃纤维的方法以及由此制备的产品，如防弹装甲、压力容器、航天结构材料、航海结构材料以及用于风能的结构材料，比如风车的支柱和桨叶。

背景技术

玻璃纤维增强复合材料已经用于航海和航天材料相当长的一段时间。尽管成本相当高，可以采用其它纤维材料，例如碳纤维和芳族聚酰胺纤维。本发明的制品可以使用任何已知的制造方法，包括压缩成型、层压、喷射、手工铺叠、预制铺叠(预浸渍)、压缩成型、真空袋成型、压力袋成型、加压成型、传递成型、真空辅助树脂传递成型、挤拉成型、纤维缠绕、浇铸、高压釜成型、离心浇铸树脂传递和连续浇铸。复合物的性能由纤维和树脂及两者之间的协同作用控制，其产生出单个材料不具备的材料性能。

许多树脂可用于复合制品的制造，所述树脂包括聚酯树脂、乙烯基酯树脂和环氧树脂。聚酯树脂适合于许多情况。乙烯基酯树脂相比聚酯树脂具有较低粘度的预硫化和较高柔性的后硫化，且一般更抗退化。当固化时，环氧树脂一般是透明的。环氧树脂是通过双酚A、双酚F、双酚C及相似结构的化合物与反应性环氧键形成中得到的表氯醇的聚合而形成的聚醚树脂。环氧树脂可与多种固化剂反应，包括胺、酐、硫醇、聚酯以形成难溶的固体。该反应是缩合反应，典型地不产生副产物。固化的环氧树脂在固化过程中具有高强度，低收缩。它们被用作涂层、粘合剂、铸件、复合物或泡沫。环氧树脂也被期望作为结构基质材料或结构胶用于高强度应用中。酚醛树脂是热固性树脂，通过酚或者酚类衍生物与醛，典型地是甲醛缩合形成。酚醛树脂主要用于涂料和塑料的制造中。其它具体的高强度模量树脂包括双马来酰亚胺、聚酰胺、乙烯基酯酚类(vinyl ester phenolic)、乙烯基丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯共聚物，高强度介质模量热塑性塑料，例如离子聚合物(即，交联的亚乙基-甲基丙烯酸酯或甲基丙烯酸甲酯共聚物)、聚碳酸酯、聚氨酯、尼龙、芳族聚酰胺、改性环氧树脂。

用于制备连续玻璃纤维原丝的最普通的高强度玻璃组合物是“S-玻璃”。S-玻璃为一族主要由镁、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-玻璃族中常用的玻璃已知为S2-玻璃。S2-玻璃包括大约65wt％SiO₂、25wt％Al₂O₃、和10wt％MgO。S-玻璃的组成最初被设计用于高强度的应用中，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，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。R-玻璃具有约含58-60wt％SiO₂、23.5-25.5wt％Al₂O₃、14-17wt％CaO加MgO、0％B₂O₃、0％F₂和少于2wt％其它组分的组成。R-玻璃含有比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加工温度。典型地，R-玻璃的熔化和加工温度至少要高于E-玻璃160℃。加工温度的升高一般需要使用昂贵的铂衬里熔窑。除此之外，R-玻璃的液相线温度与成形温度接近，因此，要求R-玻璃在比E-玻璃更高的温度下纤维化。

其它已知高强度玻璃组合物可以在题为“高性能玻璃用组合物、高性能玻璃纤维及其制品”的以美国专利申请公开No.2008/0009403公开的美国专利申请No.11/267,739中找到。

R-玻璃和S玻璃都通过在铂衬里的熔化容器中对组合物的组分进行熔化而制备。由于在这样的熔窑中制备纤维的成本，致使形成R-玻璃和S-玻璃纤维的成本明显高于E-玻璃纤维。因而，在本领域中需要一种形成玻璃组合物的方法，该玻璃组合物可用于在基本不含铂和其它贵金属材料的熔窑中由直接熔化工艺形成高性能玻璃纤维，以及由其形成的产品。

发明概述

本发明包括一种用于利用基本不含铂或其它贵金属材料的玻璃熔窑从生玻璃配合料制备精制玻璃的方法。该方法包括向玻璃熔窑的熔化区加入生玻璃配合料，在熔化区熔化生玻璃配合料，并且从熔体形成连续的纤维。本发明还包括通过这种方法形成的纤维及由这种纤维制成的产品。