КОМПОЗИЦИЯ СТЕКЛОВОЛОКНА ЭЛЕКТРОННОЙ ЧИСТОТЫ, А ТАКЖЕ СТЕКЛОВОЛОКНО И ИЗГОТОВЛЕННАЯ ИЗ НЕГО ЭЛЕКТРОННАЯ ТКАНЬ
COMPOSITION OF ELECTRONIC-GRADE FIBREGLASS, AS WELL AS FIBREGLASS AND ELECTRONIC TEXTILE MADE THEREFROM

Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент Китая №201910912666.7, поданной 25 сентября 2019 года и озаглавленной «Electronic-grade glass fiber composition, and glass fiber and electronic fabric thereof», содержание которой в полном объеме включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к композиции стекловолокна, в частности, к композициям стекловолокна электронной чистоты, которые можно использовать в электронной промышленности, а также к стекловолокну и изготовленной из него электронной ткани.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Стекловолокно представляет собой неорганический волокнистый материал. В качестве функционального материала основания печатной платы для электронной промышленности стекловолокно электронной чистоты в основном используют в таких областях, как коммуникации, компьютер, сборка микросхем, бытовая электронная аппаратура, электронная аппаратура подвижных объектов и т.д. Промышленная цепочка «электронное стекловолокно, электронная ткань, фольгированная медью плата и печатная плата (РСВ)» представляет собой ключевой вариант применения стекловолокна электронной чистоты. Для соответствия диэлектрическим свойствам РСВ, необходимо, чтобы стекловолокно электронной чистоты имело хорошие диэлектрические свойства.
В настоящее время стекловолокно электронной чистоты для РСВ как в Китае, так и за рубежом представляет собой в основном D-стекловолокно с высоким содержанием бора и традиционное Е-стекловолокно. D-стекловолокно представляет собой стекловолокно с низкой диэлектрической проницаемостью, его диэлектрические свойства лучше, чем у традиционного Е-стекловолокна, и оно может соответствовать требованиям обработки информации с высокой плотностью и высокой скоростью. D-Стекловолокно в основном содержит от 20 до 25% B2O3, от 72 до 76% SiO2, от 0 до 5% Al2O3 и от 2 до 4% Na2O+K2O, выраженные в процентах по массе. Диэлектрическая проницаемость D-стекловолокна (1 МГц при комнатной температуре) ниже 4,5, но D-стекловолокно с трудом подается плавлению и растяжению. Например, его температура формования составляет более 1400°С, что сложно реализовать при крупномасштабном производстве в ванных печах. В то же время характеристики сверления и водонепроницаемость продуктов из D-стекловолокна являются недостаточными, что представляет собой неблагоприятный фактор для последующей обработки и применения. D-стекловолокно также имеет недостаток, связанный с высокой стоимостью сырьевых материалов.
В качестве обычного стекловолокна электронной чистоты в настоящее время основным коммерческим стекловолокном для электронной промышленности является традиционное Е-стекловолокно с высоким содержанием бора. Диэлектрическая проницаемость традиционного Е-стекловолокна обычно составляет от 6,7 до 7,1, что может соответствовать требованиям традиционных печатных плат, при этом традиционное Е-стекловолокно имеет преимущество в виде хороших характеристик плавления и превосходной обрабатываемости. Однако на практике содержание B2O3 в традиционном Е-стекловолокне, произведенном различными компаниями, обычно составляет 7,2% при отклонении ±0,4%, поэтому сырьевые материалы все еще являются дорогостоящими. Кроме того, наличие большого количества бора в сырьевых материалах приводит к высокой летучести шихты, что не только способствует ускорению высокотемпературной коррозии огнеупорных материалов, применяемых в печи, но также ограничивает применение эффективного способа верхнего розжига для плавления композиции при производстве стекловолокна для электронной промышленности. Кроме того, традиционное Е-стекловолокно имеет другие недостатки, такие как низкая кислотоустойчивость, плохие механические свойства и неудовлетворительная водонепроницаемость.
Кроме того, основное внимание в случае стекловолокна общего назначения для армирования уделяется механическим свойствам и коррозионной стойкости. Рассмотрим в качестве примера Е-стекловолокно, не содержащее бор. Его композиция не содержит бор или в то же время даже не содержит фтор, при этом общее количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов будет необходимо увеличить с тем, чтобы уменьшить вязкость и трудности при плавлении стекла. Таким образом, сложность производства будет уменьшена при одновременном повышении эффективности производства. В результате сложно обеспечить соответствие электрических свойств не содержащего бора Е-стекловолокна и характеристик сверления стекловолоконных плит требованиям РСВ, соответственно, Е-стекловолокно, не содержащее бор, не подходит для производства стекловолокна электронной чистоты.
В настоящее время многие предприятия по производству стекловолокна и научно-исследовательские институты, занимающиеся стекловолокном, сосредоточены на исследовании и разработке стекловолокна с низкой диэлектрической проницаемостью, при этом исследования и инновации в отношении Е-стекловолокна электронной чистоты очень редки. В практическом плане существует много проблем с традиционным Е-стекловолокном электронной чистоты. С точки зрения улучшения свойств стекла, снижения затрат, уменьшения испарения, минимизации коррозии огнеупорных материалов и применения передовых технологий розжига печи, все еще сохраняется значительный потенциал для улучшения традиционного Е-стекловолокна электронной чистоты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения проблемы, описанной выше, настоящее изобретение нацелено на обеспечение недорогой композиции стекловолокна электронной чистоты с высокой коррозионной стойкостью. Такая композиция может не только улучшать диэлектрические свойства стекла и усиливать механические свойства, водонепроницаемость и кислотоустойчивость стекловолокна, но также значительно понижать стоимость сырьевых материалов, значительно уменьшать испарение сырьевых материалов и минимизировать коррозию огнеупорных материалов. Таким образом, предложенная композиция подходит для крупномасштабного производства в ванных печах.
Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения предложена композиция для производства стекловолокна электронной чистоты, имеющая следующие процентные содержания по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации отношение массовых процентов С2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) составляет больше или равно 2,50.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации отношение массовых процентов С4=B2O3/R2O составляет больше или равно 1.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации предложенная композиция содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
RO+R<sub>2</sub>O
≤25,2%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации диапазон содержания RO составляет от 20 до 24,4% в процентных содержаниях по массе.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации диапазон суммарного содержания RO+R2O составляет от 20,5 до 25% в процентных содержаниях по массе.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации диапазон содержания R2O меньше или равен 0,8% в процентных содержаниях по массе.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации диапазон содержания F2 составляет от 0,05 до 1,2% в процентных содержаниях по массе.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации отношение массовых процентов K2O/Na2O составляет более 0,5.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации диапазон суммарного содержания Al2O3+MgO составляет от 13 до 19,1% в процентных содержаниях по массе.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации предложенная композиция содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) составляет больше или равно 2,50, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации предложенная композиция содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
55-59,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11,5-16,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,3%
MgO
1-4,5%
RO=CaO+MgO
≤24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>0
<1%
RO+R<sub>2</sub>O
20,5-25%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,05-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации предложенная композиция содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
55-59,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12-15,9%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-3,5%
СаО
18-23,3%
MgO
1,1-4%
RO=CaO+MgO
≤24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
≤0,8%
RO+R<sub>2</sub>O
20,5-25%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,05-1,2%
при этом диапазон массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет от 2,24 до 2,75, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет от 2,75 до 3,35, отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) составляет больше или равно 2,50, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Согласно одной из категорий такого варианта реализации предложенная композиция содержит один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из SO3, SrO, CeO2, La2O3, Y2O3, ZrO2 и ZnO, при этом суммарное массовое процентное содержание составляет менее 1,5%.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложено стекловолокно электронной чистоты, полученное из композиции стекловолокна электронной чистоты.
Диапазон диэлектрической проницаемости указанного стекловолокна электронной чистоты предпочтительно составляет от 6,0 до 7,0 при 1 МГц при комнатной температуре.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена электронная ткань, содержащая стекловолокно электронной чистоты.
Такую электронную ткань предпочтительно используют в качестве материала основания для печатных плат.
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению главным образом относится к композиции стекловолокна электронной чистоты, имеющей низкую стоимость и высокую коррозионную стойкость. Предложенная композиция имеет низкое содержание B2O3, позволяет в основном регулировать содержание оксидов щелочных металлов и оксидов щелочноземельных металлов, соответственно, а также в комбинации, и при этом позволяет выбрать содержание SiO2, Al2O3, B2O3 и F2, соответственно, и позволяет надлежащим образом регулировать относительное содержание SiO2/(RO+R2O). Кроме того, предложенная композиция позволяет сохранять каждое из отношений (SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O), SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) и B2O3/R2O в подходящем диапазоне, вследствие чего синергетические эффекты между группой ионов кремния, ионов бора и ионов алюминия и группой ионов щелочных металлов и ионов щелочноземельных металлов будут усиливаться. Посредством регулирования содержания и соотношений перечисленных выше компонентов композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению может не только улучшать электрические свойства, в частности, диэлектрические свойства, стекла, и усиливать механические свойства, водонепроницаемость и кислотоустойчивость стекла, но также значительно понижать стоимость сырьевых материалов, значительно уменьшать испарение сырьевых материалов и минимизировать коррозию огнеупорных материалов. Таким образом, предложенная композиция подходит для крупномасштабного производства в ванных печах.
Конкретнее, композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Действие и содержание каждого компонента в предложенной композиции стекловолокна электронной чистоты описаны следующим образом:
В качестве оксида-структурообразователя стекла Si02 представляет собой основной оксид, формирующий структуру стекла, и практически не может перемещаться под действием электрического поля. В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон содержания SiO2 составляет от 54,2 до 60%. Чтобы гарантировать, что стекло будет иметь достаточные диэлектрические и механические свойства, содержание оксида кремния должно составлять не менее 54,2%; с другой стороны, чтобы предотвратить слишком высокую вязкость и температуру ликвидуса стекла, что в противном случае затруднило бы осуществление крупномасштабного производства, содержание оксида кремния не должно превышать 60%. Диапазон массовых процентов SiO2 предпочтительно может составлять от 54,2 до 59,5%, более предпочтительно от 55 до 59,5% и еще более предпочтительно от 55 до 59%.
Оксиды щелочных металлов представляют собой модификаторы структуры стекла, при этом такие оксиды щелочных металлов, как Na2O, K2O и Li2O, могут уменьшать вязкость стекла и улучшать характеристики плавления стекла. Они также могут эффективно обеспечивать свободный кислород, создавать хороший синергетический эффект в комбинации с ионами бора и алюминия и образовывать определенное количество тетраэдров с отрицательными зарядами. Такие тетраэдры будут играть роль в удержании ионов Na+, ограничивая их движение, и, таким образом, обеспечат лучший структурный стэкинг-эффект.Однако оксиды щелочных металлов оказывают значительное влияние на электрические свойства стекла. С увеличением содержания оксидов щелочных металлов в стекле количество одновалентных ионов щелочных металлов, а также немостиковых ионов кислорода, которые могут легко поляризоваться, будет увеличиваться, и соответственно будут возрастать проводимость и диэлектрическая проницаемость стекла.
При изучении композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению заявители обнаружили, что влияние Na2O на электрические свойства стекла больше, чем влияние K2O и Li2O, что связано с тем фактом, что Na2O легче образует немостиковые ионы кислорода с высокой поляризуемостью; между тем, воздействие двух щелочных металлов является значительным, поскольку проводимость стекла, содержащего как K2O, так и Na2O, ниже, чем проводимость стекла, содержащего только Na2O. Кроме того, лучшие диэлектрические свойства можно получить путем разумного регулирования отношения K2O/Na2O. Это связано с тем, что под действием внешнего электрического поля вакансии, оставленные ионами Na+, меньше, чем вакансии ионов K+при перемещении ионов одновалентных металлов. Поскольку большие ионы K+не могут занять маленькие вакансии, такой путь заблокирован, что приводит к затруднению перемещения маленьких ионов и ограничению подвижности ионов.
Следовательно, для обеспечения превосходных диэлектрических свойств стекла должно быть ограничено не только общее содержание оксидов щелочных металлов, но также необходимо разумно регулировать отношения между указанными оксидами. В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон содержания R2O=Na2O+K2O+Li2O составляет менее 1% в процентных содержаниях по массе. Диапазон содержания R2O предпочтительно меньше или равен 0,8% в процентных содержаниях по массе. Более предпочтительно, диапазон содержания R2O составляет от 0,1 до 0,8% в процентных содержаниях по массе. Еще более предпочтительно, содержание R2O составляет от 0,1 до 0,65% в процентных содержаниях по массе. Наиболее предпочтительно, диапазон содержания R2O составляет от 0,1 до 0,5% в процентных содержаниях по массе.
Кроме того, массовое процентное содержание Na2O+K2O может быть меньше или равно 0,8% и предпочтительно может составлять от 0,1 до 0,65%. Кроме того, массовое процентное содержание Na2O может составлять 0,5% или менее, предпочтительно от 0,05 до 0,35% и более предпочтительно от 0,05 до 0,2%. Кроме того, массовое процентное содержание K2O может составлять от 0,05 до 0,5%, предпочтительно от 0,05 до 0,35%. Кроме того, массовое процентное содержание Li2O может составлять 0,2% или менее и предпочтительно может составлять 0,1% или менее.
Кроме того, для улучшения электрических свойств стекла отношение массовых процентов K2O/Na2O может составлять более 0,5, предпочтительно может быть составляет больше или равно 0,75 и более предпочтительно может быть составляет больше или равно 1. Кроме того, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения композиция стекловолокна электронной чистоты, предложенная в настоящем изобретении, может не содержать Li2O. Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения массовое процентное содержание Na2O может составлять от 0,05 до 0,35%, и отношение массовых процентов K2O/Na2O может составлять 1 или более.
СаО также является модификатором структуры стекла. Он влияет на регулирование вязкости стекла и улучшение химической стабильности и механической прочности стекла. СаО также может способствовать уменьшению скорости затвердевания расплавленного стекла и ускорению процесса образования волокон в стекле. В то же время, обладая близким ионным радиусом, ионы Са2+ и Na+ с большей вероятностью создадут перекрестное заполнение промежутков в структуре стекла. Более того, при большей напряженности электрического поля, чем напряженность ионов Na+, ионы Са2+, заполняющие вакансии в стекле, обладают большей способностью блокировать каналы миграции ионов. Поэтому ионы Са2+ могут эффективно препятствовать миграции ионов Na+и, таким образом, уменьшать проводимость и диэлектрическую проницаемость стекла.
В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов СаО может составлять от 18 до 23,8%. Слишком низкое содержание СаО не позволило бы создать описанный выше превосходный эффект; при слишком высоком содержании количество немостиковых ионов кислорода в стекле будет слишком большим, что приведет к увеличению диэлектрической проницаемости и проводимости, и в то же время возрастет риск кристаллизации стекла. Диапазон массовых процентов СаО предпочтительно может составлять от 18 до 23,3%, более предпочтительно от 18 до 22,8% и даже более предпочтительно от 18 до 21,9%.
MgO представляет собой промежуточный оксид стекла и может регулировать вязкость стекла и контролировать кристаллизацию стекла. Связь Mg-O является до некоторой степени ковалентной, но ее доминирующая особенность состоит в том, что она является ионной. В структуре, содержащей недостаточное количество «свободного кислорода», связи Mg-O обладают эффектом «накопления», который способствует уменьшению проводимости и диэлектрической проницаемости стекла. Между тем, ионный радиус Mg2+ меньше ионного радиуса Na+ или K+, тогда как его напряженность ионного поля значительно выше, так что связь между ионами Mg2+ и ионами кислорода в стекле является относительно более прочной, что позволяет эффективно препятствовать миграции ионов щелочных металлов Na+ и K+. Однако содержание MgO не должно быть слишком высоким, в противном случае значительно возрастет риск рекристаллизация стекла.
В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов MgO может составлять от 1 до 5,5%. В настоящем изобретении соответствующее количество MgO используют в комбинации с СаО и Al2O3, так что ионы кальция могут обеспечивать некоторое количество свободного кислорода при заполнении промежутков в структуре и, таким образом, создавать синергетический стэкинг-эффект вместе с ионами магния и ионами алюминия. Таким образом, достигается более компактное структурное накопление, при этом во время рекристаллизации стекла получают смешанное кристаллическое состояние, состоящее из волластонита (CaSiO3), диопсида (CaMgSi2O6) и полевого шпата (CaAl2Si2O8). Соответственно, уменьшается риск рекристаллизации и улучшаются диэлектрические свойства стекла.
Диапазон массовых процентов MgO предпочтительно может составлять от 1 до 4,5%, более предпочтительно может составлять более 1% и быть меньше или равным 4%, и еще более предпочтительно может составлять от 1,1 до 4%.
Для обеспечения более низкой диэлектрической проницаемости и лучшей скорости рекристаллизация в композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов RO=CaO+MgO может быть меньше или равен 24,8%. Диапазон массовых процентов CaO+MgO предпочтительно может быть меньше или равен 24,4%, более предпочтительно может составлять от 20 до 24,4%, еще более предпочтительно может составлять от 20 до 23,9% и даже еще более предпочтительно может составлять от 20 до 23,5%. Кроме того, диапазон массовых процентов RO+R2O может составлять менее 25,5%. Диапазон массовых процентов RO+R2O предпочтительно может быть меньше или равен 25,2%, более предпочтительно может составлять от 20,5 до 25%, еще более предпочтительно может составлять от 20,5 до 24,7% и даже еще более предпочтительно может составлять от 21 до 24,3%.
Для регулирования количества немостикового кислорода и подвижных ионов в структуре стекла, уменьшения концентрации и активности ионов, модифицирующих структуру с целью снижения диэлектрической проницаемости стекла, и учета эффекта плавления и осветления стекла в композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) может быть больше или равен 2,20. Диапазон отношения массовых процентов С1 предпочтительно может составлять от 2,20 до 2,80, более предпочтительно от 2,24 до 2,75 и даже более предпочтительно от 2,28 до 2,70.
B2O3 представляет собой еще один оксид, формирующий структуру стекла. Он может улучшать многие свойства стекла, а также является хорошей флюсующей добавкой.. В то же время в других условиях бор может присутствовать в форме треугольников [ВО3] и/или тетраэдров [BO4]. При высоких температурах плавления трудно получить тетраэдры [BO4], и образуются треугольники [ВО3], что является основной причиной, почему B2O3 может уменьшать вязкость стекла при высоких температурах; при низких температурах В3+ проявляет склонность к захвату свободного кислорода с образованием борсодержащих кислородных тетраэдров, влияющих на заполнение структуры. При этом объем тетраэдра [BO4] меньше, чем объем тетраэдра [SiO4], что обычно делает структуру стекла более компактной и, таким образом, способствует уменьшению проводимости и диэлектрической проницаемости стекла.
Однако цена борсодержащих сырьевых материалов очень высока. Кроме того, бор является летучим веществом, и присутствие большого количества борсодержащих сырьевых материалов приводит к высокой летучести шихты, что ускоряет высокотемпературную коррозию огнеупорных материалов печи, а также ограничивает применение эффективного способа нагрева при верхнем розжиге печи для производства стекловолокна электронной чистоты. Кроме того, кислотоустойчив ость, механические свойства и водонепроницаемость электронного стекловолокна с высоким содержанием бора являются неудовлетворительными.
В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов B2O3 может составлять от 0,7 до 4,5%. Диапазон массовых процентов B2O3 предпочтительно может составлять от 0,7 до 4%, более предпочтительно от 1 до 3,5% и даже более предпочтительно от 1,4 до 3%. Кроме того, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения диапазон массовых процентов SiO2 может быть больше 57% и меньше или равен 60%, при этом диапазон массовых процентов B2O3 составляет от 0,7 до 2%.
Al2O3 представляет собой промежуточный оксид стекла, а также основной оксид, формирующий структуру стекла. В комбинации с SiO2 он может оказывать существенное влияние на механические свойства стекла и на рекристаллизацию стекла и водонепроницаемость. В Е-стекле с высоким содержанием бора вследствие более сильной склонности к объединению ионов В3+ и кислорода тетраэдрическая координация Al3+ нарушается под влиянием большого количества ионов В3+ с высокой напряженностью поля. Соответственно, способность ионов Al3+ захватывать свободный кислород с образованием тетраэдра оксида алюминия ослабевает, и ионы Al3+ в стекле обычно находятся в форме октаэдров. При увеличении должным образом содержания Al2O3 и одновременном уменьшении содержания B2O3 склонность Al3+ к захвату свободного кислорода и образованию тетраэдров оксида алюминия может повышаться, эффект заполнения структуры может усиливаться и количество легко поляризуемых немостиковых ионов кислорода может уменьшаться. Таким образом, диэлектрическая проницаемость стекла будет снижаться.
В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов Al2O3 может составлять от 11 до 17,5%. Для того, чтобы стекло обладало достаточными водонепроницаемостью, механическими свойствами и диэлектрическими свойствами, содержание оксида алюминия должно составлять не менее 11%; при этом его содержание не должно быть слишком высоким, максимум 17,5%. В противном случае значительно возрастет риск рекристаллизация стекла и разделения фаз, что приведет к чрезмерно высоким температурам ликвидуса и высоким скоростям кристаллизации. Это сделает указанное стекло неподходящим для крупномасштабного производства. Диапазон содержания Al2O3 предпочтительно может составлять от 11,5 до 16,5%, более предпочтительно от 12 до 15,9%.
При обеспечении электрических свойств стекла для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости, а также учета эффекта плавления и осветления стекла, содержание оксида бора можно уменьшить соответствующим образом с тем, чтобы регулировать конкуренцию между ионами бора и ионами алюминия при захвате немостикового кислорода в стекле. Кроме того, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) может быть больше или равно 2,73. Отношение массовых процентов С2 предпочтительно может составлять от 2,73 до 3,35, более предпочтительно от 2,75 до 3,35, еще более предпочтительно от 2,79 до 3,25 и даже еще более предпочтительно от 2,84 до 3,25.
Кроме того, при обеспечении механических свойств стекла для дальнейшего снижения стоимости сырьевых материалов и учета электрических свойств и эффекта плавления и осветления стекла отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) согласно настоящему изобретению может быть больше или равно 2,50. Отношение массовых процентов С3 предпочтительно может составлять от 2,55 до 3,25, более предпочтительно от 2,60 до 3,25, еще более предпочтительно от 2,65 до 3,20 и даже еще более предпочтительно от 2,70 до 3,20.
Кроме того, для регулирования количества немостикового кислорода, ионов щелочных металлов и ионов бора, а также конкуренции между ними в стекле, уменьшения диэлектрической проницаемости и проводимости и учета механических свойств и стоимости сырьевых материалов отношение массовых процентов C4=B2O3/R2O согласно настоящему изобретению может быть больше или равно 1. Отношение массовых процентов С4 предпочтительно может составлять от 1,2 до 12, более предпочтительно от 1,5 до 10, еще более предпочтительно может составлять от 2 до 8.
Кроме того, для регулирования температуры и скорости кристаллизации и учета электрических и механических свойств стекла отношение массовых процентов (Al2O3+MgO)/SiO2 согласно настоящему изобретению может быть меньше или равно 0,34, предпочтительно может составлять от 0,23 до 0,33.
Кроме того, массовое процентное содержание Al2O3+MgO согласно настоящему изобретению может составлять от 12,5 до 21%, предпочтительно от 13 до 19,1% и более предпочтительно от 14,5 до 19,1%.
Кроме того, для улучшения электрических и механических свойств стекла массовое процентное содержание Al2O3+MgO+B2O3 согласно настоящему изобретению может составлять от 15 до 23%, и предпочтительно от 16 до 21,9%.
TiO2 может не только уменьшать вязкость стекла при высоких температурах, но и обладает определенным эффектом флюсирования. Однако слишком много ионов Ti4+могут легко вызвать поляризацию ионного смещения в локальном внутреннем электрическом поле, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости стекла. В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон содержания TiO2 может составлять от 0,05 до 0,8%. Диапазон содержания TiO2 предпочтительно может составлять от 0,05 до 0,6%, и более предпочтительно от 0,05 до 0,45%. Кроме того, диапазон содержания Na2O+TiO2 может составлять менее 1,1%, предпочтительно менее 0,8%.
Fe2O3 способствует плавлению стекла и также может улучшать характеристики кристаллизации стекла. В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон содержания Fe2O3 может составлять от 0,05 до 0,7%, предпочтительно от 0,05 до 0,6%. Fe2O3 содержит ионы как Fe2+, так и Fe3+, при этом оба указанных иона обладают определенным окрашивающим действием. Поскольку ионы Fe3+поглощают свет в ультрафиолетовой области, а ионы Fe2+ поглощают свет в инфракрасной области, поддержание подходящей доли ионов двухвалентного железа в стекле будет целесообразно как с точки зрения теплопоглощения жидкого стекла при его нагревании, так и в точки зрения теплоотдачи жидкого стекла при охлаждении; оно также может усиливать конвекцию жидкого стекла, улучшать скорости охлаждения и затвердевания потока стекла при вытягивании, уменьшать разрыв волокна и увеличивать прочность стекловолокна.
Более того, склонность к поляризации ионного смещения Fe2+ слабее, чем у ионов Fe3+. Кроме того, отношение массовых процентов FeO/Fe2O3 согласно настоящему изобретению может быть больше или равно 0,40. Отношение массовых процентов FeO/Fe2O3 предпочтительно может быть больше или равно 0,50, более предпочтительно от 0,50 до 0,85 и даже более предпочтительно от 0,55 до 0,80.
F2 способствует плавлению и осветлению стекла, и в комбинации с ионами железа он также может образовывать летучий FeF3 или бесцветный Na3FeF6, что уменьшает окрашиваемость стекла. Подходящее количество введенного фтора способствует улучшению диэлектрической проницаемости стекла. Однако фтор является летучим и должен быть удален из отходящего газа. В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению диапазон массовых процентов F2 может составлять от 0,01 до 1,2%, предпочтительно от 0,05 до 1,2% и более предпочтительно от 0,1 до 1%. Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения диапазон массовых процентов F2 может составлять от 0,4 до 1%.
Между тем, согласно настоящему изобретению, суммарное массовое процентное содержание SiO2, Al2O3, B2O3, СаО, MgO, Na2O, K2O, Li2O, TiO2, Fe2O3 и F2 может быть больше или равно 98,5%. Суммарное массовое процентное содержание SiO2, Al2O3, B2O3, СаО, MgO, Na2O, K2O, Li2O, TiO2, Fe2O3 и F2 предпочтительно может быть составляет больше или равно 99%, более предпочтительно может быть больше или равно 99,5%, и даже более предпочтительно может быть больше или равно 99,8%. В дополнение к перечисленным выше основным компонентам композиция согласно настоящему изобретению может также содержать небольшое количество других компонентов.
Кроме того, композиция согласно настоящему изобретению содержит один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из SO3, SrO, CeO2, La2O3, Y2O3, ZrO2 и ZnO, при этом общее количество SO3, SrO, CeO2, La2O3, Y2O3, ZrO2 и ZnO составляет менее 1,5% по массе. Кроме того, общее количество SO3, SrO, CeO2, La2O3, Y2O3, ZrO2 и ZnO составляет менее 1% по массе. Кроме того, общее количество SO3, SrO, CeO2, La2O3, Y2O3, ZrO2 и ZnO составляет менее 0,5% по массе. Кроме того, указанная композиция содержит менее 0,5% по массе SO3. Кроме того, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения с целью регулирования производственных затрат и улучшения защиты окружающей среды композиция по существу не содержит P2O5. Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения с целью регулирования производственных затрат и плотности стекла предложенная композиция по существу не содержит SrO.
Кроме того, выражение «по существу не содержит» в отношении определенного компонента в описании настоящего изобретения означает, что указанный компонент присутствует в композиции только в следовых количествах, например, в виде следов примесей, непреднамеренно введенных вместе с сырьевым материалом стекла. Массовое процентное содержание такого компонента в композиции составляет от 0 до 0,03% и в большинстве случаев от 0 до 0,01%.
Кроме того, диэлектрическая проницаемость стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению составляет от 6,0 до 7,0 при 1 МГц и комнатной температуре. Диэлектрическая проницаемость предпочтительно составляет от 6,0 до 6,85, и более предпочтительно диэлектрическая проницаемость составляет от 6,35 до 6,80.
Кроме того, согласно другому аспекту настоящего изобретения описаны условия применения композиции стекловолокна электронной чистоты, предложенной в настоящем изобретении, при этом разработан способ производства в ванных печах при применении по меньшей мере одной горелки для верхнего розжига.
В композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению положительные эффекты, полученные за счет перечисленных выше выбранных диапазонов содержаний компонентов, будут объяснены с помощью примеров на основе конкретных экспериментальных данных.
Ниже приведены примеры предпочтительных диапазонов содержания компонентов, содержащихся в композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению.
Предпочтительный пример 1
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
RO+R<sub>2</sub>O
≤25,2%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 2
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
≤0,8%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) составляет больше или равно 2,50, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 3
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,3%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
RO+R2O
≤25,2%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 4
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,3%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
RO+R<sub>2</sub>O
20,5-25%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,05-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) составляет больше или равно 2,50, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 5
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет от 2,24 до 2,75, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 6
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
54,2-60%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11-17,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,8%
MgO
1-5,5%
RO=CaO+MgO
≤24,8%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет от 2,24 до 2,75, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет от 2,75 до 3,35, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 7
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
55-59,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11,5-16,5%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7-4,5%
СаО
18-23,3%
MgO
1-4,5%
RO=CaO+MgO
≤24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
<1%
RO+R<sub>2</sub>O
20,5-25%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,01-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет от 2,75 до 3,35, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 8
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
55-59,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11,5-16,5%
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
0,7-4%
СаО
18-23,3%
MgO
1-4,5%
RO=CaO+MgO
≤24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
≤0,8%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,05-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет от 2,24 до 2,75, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,73, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
Предпочтительный пример 9
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты, выраженные в виде процентных содержаний по массе:
SiO<sub>2</sub>
55-59,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12-15,9%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-3,5%
СаО
18-22,8%
MgO
1-4,5%
RO=CaO+MgO
20-24,4%
R<sub>2</sub>O=Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O+Li<sub>2</sub>O
≤0,8%
RO+R<sub>2</sub>O
20,5-25%
TiO<sub>2</sub>
0,05-0,8%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-0,7%
F<sub>2</sub>
0,05-1,2%
при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет от 2,24 до 2,75, отношение массовых процентов C2=(SiO2+Al2O3-B2O3)/(RO+R2O) составляет от 2,75 до 3,35, отношение массовых процентов C3=(SiO2+Al2O3)/(RO+R2O+B2O3) составляет больше или равно 2,50, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для лучшего разъяснения целей, технических решений и преимуществ примеров настоящего изобретения технические решения в примерах настоящего изобретения четко и полностью описаны ниже. Очевидно, что примеры, описанные в настоящем документе, являются просто частью примеров настоящего изобретения и не представляют собой все примеры. Все другие иллюстративные варианты реализации, полученные специалистом в данной области техники без выполнения творческой работы на основе описанных в настоящем изобретении примеров, попадут в объем притязаний настоящего изобретения. Что необходимо уяснить, так это то, что при условии отсутствия противоречия примеры и особенности примеров, описанные в настоящей заявке, могут быть произвольно объединены друг с другом.
Согласно настоящему изобретению компоненты композиции стекловолокна электронной чистоты, выраженные в виде процентных содержаний по массе, составляют: 54,2-60% SiO2, 11-17,5% Al2O3, 0,7-4,5% B2O3, 18-23,8% СаО, 1-5,5% MgO, ≤24,8% RO=CaO+MgO, <1% R20=Na2O+K2O+Li2O, 0,05-0,8% TiO2, 0,05-0,7% Fe2O3 и 0,01-1,2% F2; при этом отношение массовых процентов C1=SiO2/(RO+R2O) составляет больше или равно 2,20, и общее массовое процентное содержание перечисленных выше компонентов составляет больше или равно 98,5%. Предложенная композиция имеет преимущество, состоящее в низкой стоимости и высокой коррозионной стойкости. Она может улучшать электрические свойства, в частности, диэлектрические свойства, стекла, а также усиливать механические свойства, водонепроницаемость и кислотоустойчив ость стекла; кроме того, такая композиция может значительно понижать стоимость сырьевых материалов, значительно уменьшать испарение сырьевых материалов и минимизировать коррозию огнеупорных материалов. Таким образом, предложенная композиция подходит для крупномасштабного производства в ванных печах.
Для применения в примерах были выбраны конкретные значения содержания SiO2, Al2O3, B2O3, СаО, MgO, Na2O, K2O, Li2O, TiO2, Fe2O3 и F2 в композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению, которые сравнивали со свойствами пяти сравнительных примеров (пронумерованных В1-В5) в отношении следующих девяти параметров свойств, при этом В1 представлял собой композицию традиционного Е-стекловолокна для применения в электронной промышленности, В2 представлял собой композицию традиционного D-стекловолокна и В3-В5 представляли собой композиции Е-стекловолокна общего назначения для армирования.
(1) Температура формования, температура, при которой вязкость расплавленного стекла составляет 103 пуаз.
(2) Температура ликвидуса, температура, при которой начинают формироваться зародыши кристаллов при охлаждении расплавленного стекла, то есть верхний предел температуры кристаллизации стекла.
(3) Значение ΔT, которое представляет собой разницу между температурой формования и температурой ликвидуса и указывает диапазон температур, в котором можно осуществлять вытягивание волокна.
(4) Прочность на растяжение, максимальное растягивающее напряжение, которое может выдержать стекловолокно, которое можно измерить на пропитанном стеклянном ровинге согласно ASTM D2343.
(5) Диэлектрическая проницаемость, которую определяли согласно следующей процедуре: Равномерно перемешивали сырьевые материалы для производства стекла и затем переносили их в платиновый тигель. Выдерживали тигель в высокотемпературной электропечи при 1550±30°С в течение 6 часов с получением хорошо осветленного и гомогенизированного жидкого стекла. Выливали жидкое стекло в предварительно нагретую форму из нержавеющей стали для изготовления стеклянных блоков, помещали указанные стеклянные блоки в муфельную печь для отжига, и затем разрезали, шлифовали и полировали отожженные стеклянные блоки с получением прямоугольных кусочков стекла с толщиной примерно 1,5 мм и длиной и шириной примерно 30 мм. Покрывали кусочки стекла серебром для формирования электродов и затем исследовали указанные кусочки для определения значений диэлектрической проницаемости. Меньшая диэлектрическая проницаемость означала более слабую поляризацию стеклянного материала и лучшую изоляцию стекла и наоборот.
(6) Количество пузырьков, которое определяли согласно следующей процедуре: В каждом примере использовали специальные формы для прессования материалов стеклянной шихты с получением образцов одинакового размера, которые затем помещали на платформу для образцов высокотемпературного микроскопа. Образцы нагревали согласно стандартным процедурам до заданной температуры окружающего пространства 1500°С, и затем указанные образцы стекла непосредственно охлаждали с помощью охлаждающего пода до температуры окружающей среды без сохранения тепла. В заключение каждый из образцов стекла исследуют под поляризационным микроскопом для определения количества пузырьков в образцах. При этом количество пузырьков устанавливали в соответствии с конкретным увеличением микроскопа.
(7) Водонепроницаемость, выражаемая в единицах скорости потери массы. Процедура испытания была следующей: Стеклянный порошок с размером частиц от 40 до 80 меш помещали в воду при 95°С в течение 24 часов, перемешивали смесь через равные промежутки времени и измеряли и определяли скорость потери массы стеклянного порошка. Меньшая скорость потери массы означала лучшую водонепроницаемость стекла и наоборот.
(8) Кислотоустойчивость, выражаемая в единицах скорости потери массы. Процедура испытания была следующей: Стеклянный порошок с размером частиц от 40 до 80 меш помещали в 10% раствор HCl при 23°С на 48 часов, перемешивали смесь через равные промежутки времени и измеряли и определяли скорость потери массы стеклянного порошка. Меньшая скорость потери массы означала лучшую кислотоустойчивость стекла и наоборот.
(9) Коэффициент затрат на сырьевые материалы. Устанавливали стоимость композиции традиционного Е-стекловолокна В1 в качестве эталона, ее коэффициент затрат составлял 1,0. Стоимость остальных композиций рассчитывали в сравнении с указанным эталоном. Меньший коэффициент затрат сырьевых материалов означал меньшую стоимость композиции и наоборот.
Перечисленные выше девять параметров и способы их измерения хорошо известны специалистам в данной области техники. Соответственно, указанные перечисленные выше параметры можно эффективно использовать для объяснения технических особенностей и преимуществ композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению.
Конкретные процедуры для проведения экспериментов были следующими: Каждый компонент можно получить из соответствующих сырьевых материалов. Сырьевые материалы смешивали в соответствующих пропорциях таким образом, чтобы каждый компонент имел конечное требуемое массовое процентное содержание. Смешанную шихту расплавляли и осветляли. Затем расплавленное стекло вытягивали через насадки фильеров, формируя, тем самым, стекловолокно. Стекловолокно вытягивали на вращательных втулках намоточного устройства с получением мотков или тюков. Для дальнейшей обработки таких стекловолокон с целью обеспечения соответствия ожидаемым требованиям можно, безусловно, использовать традиционные способы.
Далее было проведено сравнение параметров свойств примеров композиции стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению с параметрами сравнительных примеров, результаты которого приведены ниже в таблицах, в которых содержания компонентов композиций для производства стекловолокна выражены в виде массового процентного содержания. Что необходимо прояснить, так это то, что общее количество компонентов в примере немного меньше 100%, при этом следует понимать, что оставшееся количество представляет собой следы примесей или небольшое количество компонентов, которые не могут быть проанализированы.
Из значений в приведенных выше таблицах можно видеть, что по сравнению с композициями стекловолокна Е общего назначения для армирования композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества: (1) более низкую диэлектрическую проницаемость; (2) более низкую температуру ликвидуса; и (3) более широкий диапазон температур для формирования волокна.
По сравнению с композицией традиционного Е-стекловолокна композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества: (1) более низкую стоимость сырьевых материалов; (2) более высокую прочность на разрыв; (3) лучшую водонепроницаемость и кислотоустойчивость; и (4) улучшенные уровни диэлектрической проницаемости.
По сравнению с композицией традиционного D-стекловолокна композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества: (1) гораздо более низкую стоимость сырьевых материалов; (2) гораздо более высокую прочность на разрыв; (3) намного лучшую водонепроницаемость и кислотоустойчивость; и (4) меньшее количество пузырьков.
Таким образом, из изложенного выше можно видеть, что по сравнению с композициями из Е-стекловолокна общего назначения для армирования, традиционного Е-стекловолокна и традиционного D-стекловолокна композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению совершила прорыв в отношении экономических характеристик продуктов, стоимости сырьевых материалов, диэлектрической проницаемости, прочности на разрыв, температуры ликвидуса, диапазона температур для формирования волокна, водонепроницаемости и кислотоустойчивости. Обладая такими неожиданными техническими эффектами, предложенная композиция позволяет легко осуществлять крупномасштабное производство в ванных печах.
Композицию стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению можно использовать для изготовления стекловолокна для применения в электронной промышленности, обладающего перечисленными выше свойствами. Затем такое стекловолокно можно использовать для изготовления электронных тканей.
Композицию стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению в комбинации с одним или более органическими и/или неорганическими материалами можно использовать для получения композиционных материалов, обладающих превосходными характеристиками, таких как армированные стекловолокном материалы основания печатной платы.
Следует отметить, что в настоящем тексте термины «включать/включающий», «содержать/содержащий» и любые другие их варианты являются неисключающими, так что любой процесс, способ, объект или устройство, содержащие ряд элементов, содержат не только такие факторы, но также и другие факторы, не перечисленные явным образом, или дополнительно содержат факторы, свойственные такому процессу, способу, объекту или устройству. Без дополнительных ограничений, фактор, определяемый утверждением «включать/включающий…», «содержать/содержащий…» или любыми другими их вариантами, не исключает другие идентичные факторы в процессе, способе, объекте или устройстве, в том числе указанные факторы.
Перечисленные выше варианты реализации приведены только для описания, а не ограничения технических решений, предложенных в настоящем изобретении. Хотя были показаны и описаны конкретные варианты реализации изобретения, специалисту в данной области техники будет очевидно, что в технические решения, реализованные с помощью всех описанных выше вариантов реализации, могут быть внесены модификации, или что в некоторые из технических особенностей, реализованных с помощью всех описанных выше вариантов реализации, могут быть внесены эквивалентные замены без отступления от сущности и объема технических решений настоящего изобретения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению может улучшать диэлектрические свойства стекла и усиливать механические свойства, водонепроницаемость и кислотоустойчивость стекловолокна; кроме того, такая композиция может значительно понижать стоимость сырьевых материалов, значительно уменьшать испарение сырьевых материалов и минимизировать коррозию огнеупорных материалов. Таким образом, предложенная композиция подходит для крупномасштабного производства в ванных печах.
По сравнению с обычными композициями стекловолокна композиция стекловолокна электронной чистоты согласно настоящему изобретению совершила прорыв в отношении экономических характеристик продуктов, стоимости сырьевых материалов, диэлектрической проницаемости, прочности на разрыв, температуры ликвидуса, диапазона температур для формирования волокна, водонепроницаемости и кислотоустойчивости.
Соответственно, настоящее изобретение имеет хорошую промышленную применимость.