СТЕКЛО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НЕПРЕРЫВНОГО СТЕКЛОВОЛОКНА
GLASS FOR PRODUCING CONTINUOUS GLASS FIBRE

Изобретение относится к составам стекол для производства непрерывного, высокомодульного, прочного и химически стойкого стекловолокна, которое может быть использовано для изготовления ровингов и тканей различного назначения, а также в качестве армирующих материалов для стеклопластиковых изделий, используемых в кислых и щелочных средах.
На модуль упругости, прочность и химическую устойчивость стеклянного волокна большое влияние оказывает химический состав стекла.
Известен состав стекла для производства стекловолокна (патент РФ №2129102, кл. С03С 13/02, 1997 г.), включающий, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
57,0-60,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
20,0-27,0
MgO
10,0-16,0
ZrO<sub>2</sub>
0,05-0,6
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,1-0,6
K<sub>2</sub>O
0,15-0,35
Na<sub>2</sub>О
0,03-0,1
Недостатком этого состава являются высокие значения температуры варки стекла и верхнего предела кристаллизации, низкая вязкость расплава при формовании стеклянного волокна, короткий температурный интервал выработки, вследствие чего наблюдаются нестабильный процесс выработки волокна и высокая капельная обрывность.
Также известно стекло для получения высокопрочного и высокомодульного волокна (патент ЕР №2450321 А1, кл. С03С 13/02, 2012 г. - аналог), включающий, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
56,0-64,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13,0-20,0
CaO
8,0-13,0
MgO
7,0-12,0
TiO<sub>2</sub>
0-2,5
Li<sub>2</sub>O
0-0,08
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
0-1,0
ZrO<sub>2</sub>
0-2,0
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-0,6
F<sub>2</sub>O
0-0,6
Однако у этих безборных составов недостаточно высокий модуль упругости, а наличие щелочей, особенно оксида лития, ухудшает химическую стойкость и диэлектрические свойства волокна. Кроме того, наличие тугоплавкого оксида циркония в количестве до 2% затрудняет процесс варки стекла и выработки волокна, снижает коэффициент полезного времени (КПВ) процесса формования и значительно повышает капельную обрывность.
Наиболее близким к заявленному составу по технической сущности и достигаемому результату является стекло для производства стекловолокна (патент РФ №2263639, кл. С03С 13/00, 2004 г. - прототип), включающий, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
58,0-60,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12,0-14,0
CaO
20,0-22,0
MgO
3,0-5,0
TiO<sub>2</sub>
0,01-1,9
R<sub>2</sub>O(Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O) до
1,0
ZrO<sub>2</sub>
0,01-2,0
Данное стекло обладает модулем упругости 7700 МПа, прочностью волокна 3400 МПа.
Недостатком данного состава являются невысокие значения прочности (3400 МПа) и модуля упругости (7700 МПа).
Заявленное изобретение направлено на ликвидацию указанных недостатков данного состава стекла, предназначенного для производства непрерывного стеклянного волокна.
Главным критерием, определяющим достижение новых качественных характеристик и создание нового вида изделий, являются не только повышение отдельных показателей, таких как модуль упругости, прочность, высокая химстойкость и их сочетание, но и улучшенные технологические свойства, обеспечивающие стабильность и безобрывность процесса формования стеклянного волокна на многофильерных стеклоплавильных сосудах с высоким коэффициентом полезного времени.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке высокотехнологичного высокомодульного состава стекла, позволяющего осуществить стабильный процесс выработки непрерывного волокна, гарантирующего повышение КПВ процесса формования волокна и снижение капельной обрывности, т.е. производительности стеклоплавильного сосуда. Достижение этой задачи обеспечивает получение высокотехнологичного высокомодульного волокна с повышенной прочностью (высокой разрывной нагрузкой комплексной и крученой нити), низким коэффициентом вариации прочности, обеспеченным высоким КПВ и низкой капельной обрывностью, а также хорошей химической стойкостью в кислых и нейтральных средах.
Перечисленные задачи достигаются присутствием в составе кальций-магнийалюмосиликатного стекла диоксида титана в достаточном количестве (от 4 до 10 мас.%), которое в сочетании с микродобавками оксида циркония от 0,01 до 0,04 мас.%, оксида железа от 0,01 до 0,50 мас.% и оксидов щелочных металлов калия и натрия от 0,01 до 0,70 мас.% обеспечивает высокий модуль упругости, повышенную прочность и химическую стойкость 1-й гидролитический класс.
2
2
3
2
2
2
2
2
Технический результат достигается тем, что стекло для производства непрерывного стекловолокна, включающее SiO, AlO, CaO, MgO, TiO, RO (NaO+KO), ZrO, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
50,0-60,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10,0-20,0
CaO
12,0-16,0
MgO
6,0-10,0
TiO<sub>2</sub>
4,0-10,0
R<sub>2</sub>O(Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O)
0,1-0,7
ZrO<sub>2</sub>
0,01-0,4
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,01-0,5,
причем стекло обладает низкой температурой верхнего предела кристаллизации 1240°С и химической стойкостью - 1-й гидролитический класс.
2
2
3
2
2
2
2
3
Пример 1. Для получения предлагаемого состава готовят шихту, содержащую (мас.%): SiO - 55,5; AlO - 14,0; CaO - 14,0; MgO - 8,0; TiO - 8,0; RO - 0,3; ZrO - 0,1; FeO - 0,1. Шихту загружают в печь и плавят при температуре 1550-1570°С, затем из расплавленной стекломассы формуют непрерывное стеклянное волокно диаметром 8-10 мкм при температуре 1350-1370°С на многофильерном стеклоплавильном сосуде. Примеры 1, 2 и 3 приведены в таблице 1.
Таблица 1
Оксиды, мас.% и свойства
Примеры
1
2
3
SiO<sub>2</sub>
55,5
52,0
59,5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
14,0
12,0
19,2
CaO
14,0
15,0
12,0
MgO
8,0
10,0
4,0
TiO<sub>2</sub>
8,0
10,0
4,0
R<sub>2</sub>O
0,3
0,7
0,4
ZrO<sub>2</sub>
0,1
0,2
0,4
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,1
0,1
0,5
Модуль упругости, МПа
90000
93000
91000
Прочность волокна, МПа
4100
4200
4000
Температура формования при log η=3,0
1250
1240
1230
Химическая устойчивость
13
16
17
H<sub>2</sub>O
80
90
100
1н. HCl
450
480
430
1н. NaOH
1 гидрол класс
1 гидрол класс
1 гидрол класс
Диэлектрическая проницаемость при 25°С и 60 Гц
7,0
6,9
6,8
Коэффициент полезного времени (КПВ) процесса выработки волокна
0,95-0,98
0,92-0,95
0,94-0,97
Капельная обрывность, количество капель/ч
0,4-0,6
0,6-0,8
0,5-0,7
Температура верхнего предела кристаллизации, °С
1240
1250
1235
Разрывная нагрузка комплексной нити, Н
22-24
20-22
21-23
Таким образом, использование изобретения позволяет создать высокомодульное, прочное и химически стойкое непрерывное стеклянное волокно, которое может быть использовано для изготовления ровингов и тканей различного назначения, в том числе электроизоляционного, в качестве армирующих материалов для стеклопластиковых изделий, применяемых в кислых и щелочных средах.