Стекло для производства стекловолокна

 

Использование: для армирования конструкционных стеклопластиков, применяемых в аэронавтике, аэрокосмической технике, в индустрии спорта и отдыха. Сущность изобретения: стекло для стекловолокна содержит в мас.%: оксид кремния 57 - 60 БФ SiO₂ ; оксид алюминия 24 - 26 БФ Al₂O₃ ; оксид магния 4 - 9 БФ MgO; оксид кальция 6 - 10 БФ CaO; оксид титана 0,4 - 0,8 БФ TiO₂ ; оксид циркония 0,07 - 0,15 БФ ZrO₂ ; оксид железа 0,2 - 0,45 БФ Fe₂O₃ ; оксид натрия 0,05 - 0,3 БФ Na₂O ; оксид калия 0,05 - 0,3 БФ K₂O . Прочность волокна 3800 - 4100 МПа, температура формования 1340 - 1390°С, вязкость при температуре формования 10^3,1- 10^3,5 П₃ , 2 табл.

Изобретение относится к составам стекол для производства высокопрочного волокна, в частности непрерывного, которое может быть использовано для изготовления конструкционных стеклопластиков, применяемых в промышленности высоких технологий, таких как аэронавтика, аэрокосмическая техника, ядерная промышленность, а также индустрия спорта и отдыха.

Анализ современных и перспективных технологических требований к стеклянным волокнам показывает, что главным критерием, определяющим достижение новых качественных характеристик и создание нового поколения изделий, является не только повышение отдельных показателей, таких как температуроустойчивость, прочность, модуль упругости, заданы диэлектрические свойства, высокая стойкость к усталости, старению, коррозии и, главным образом, их сочетание, т.е. создание многофункциональных стеклянных волокон.

Известен состав стекла [1], включающий, мас.%: SiO₂ - 50-65; Al₂O₃ - 20-30; MgO - 5-20; CaO - 2-10.

Модуль упругости указанного стекла составляет 86000 МПа, а прочность стекловолокна 3600 МПа.

Недостатком состава марки R является высокая температура формования волокна, определяемая содержанием SiO₂ и Al₂O₃ (соответственно 60 и 25 мас. % ), которая приводит к значительному снижению срока службы платиновых стеклоплавильных сосудов. Следует отметить, что стоимость стекловолокна в значительной степени определяется расходом платиновых металлов на выработку волокна. Кроме того, основные физико-механические показатели (модуль упругости и прочность) стекловолокна состава R ниже известного стекла ВМП (а. с. N 1630233, кл. С 03 С 13/00, 1987) - 95000 и 4500 МПа соответственно.

Недостатками стекла ВМП является низкая вязкость и высокая кристаллизационная способность при формовании волокна.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и свойствам является техническое решение [2], включающее: SiO₂ 25-54%; Al₂O₃ 20-40%; MgO 24-40% ; ZrO₂ 1-5%; P₂O₅ 0-10%; TiO₂ 0-10%; B₂O₃ 0-10%; F 0-5%; Cr₂O₃ 0-2%.

Недостатками этого стекла является то, что для его производства необходимы дорогостоящие сырьевые материалы, такие как жженая магнезия, фосфоро- и боросодержащие материалы. Кроме того, применение фосфора и бора ухудшает экологическую обстановку при высокотемпературной варке этого стекла. Низкое содержание SiO₂ при высоких концентрациях MgO и Al₂O₃ приводит к значительному повышению температуры формования и снижению вязкости, что значительно затрудняет процесс формования непрерывного волокна.

Цель изобретения - синтез высокопрочного высокомодульного стеклянного волокна из дешевого отечественного сырья, обладающего повышенной вязкостью, пониженной кристаллизационной способностью и пониженной температурой формования, что обеспечивает возможность формования высокопрочных высокомодульных стеклянных волокон на многофильерных стеклоплавильных сосудах (400-, 800-фильерных) при увеличенных сроках службы последних.

Поставленная цель достигается тем, что стекло для производства стекловолокна, включающее SiO₂, Al₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂, дополнительно содержит СaO, Fe₂O₃, Na₂O, K₂O при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 57-60 Al₂O₃ 24-26 MgO 4-9 CaO 6-10 TiO₂ 0,4-0,8 ZrO₂ 0,07-0,15 Fe₂O₃ 0,2-0,45 K₂O 0,05-0,3 Na₂O 0,05-0,3 Причем CaO + MgO вводится через природное дешевое сырье - доломит, что обеспечивает возможность формования непрерывных стеклянных волокон с высокими значениями прочности на многофильерных стеклоплавильных сосудах.

Введение диоксида титана в пределах 0,4-0,8 мас.% и оксида железа (0,2-0,45 мас. % ) приводит к увеличению скорости твердения стекла, т.е. улучшению формуемости волокна в процессе выработки. Введение малых добавок двуоксида циркония приводит к повышению прочности волокна. Введение добавок щелочных оксидов натрия и калия в количестве от 0,05 до 0,3 мас.% понижает кристаллизационную способность стекла и, следовательно, температуру формования волокна, что приводит к увеличению срока службы многофильерных стеклоплавильных сосудов.

Стекло получают по обычной технологии. Для облегчения стекловарения, снижения энергозатрат на производство стекла и снижения стоимости получаемого материала в качестве сырьевых материалов принимается комплексное сырье: каолин и доломит.

Применение комплексного сырья вместо чистых оксидов элементов позволяет улучшить технологические характеристики.

Конкретные составы стекол приведены в табл. 1.

Свойства стекол приведены в табл. 2.

Стекла обладают улучшенными технологическими свойствами и позволяют получать непрерывные высокопрочные высокомодульные стеклянные волокна путем формования на многофильерных (400-600-фильерных) стеклоплавильных агрегатах, рассчитанных на многотоннажное производство.

Из составов стекла выработаны опытные партии комплексных нитей при устойчивом процессе формования, получены опытные партии армирующих материалов в виде ровингов, тканей и крученых нитей.

Изобретение может быть использовано для производства высокопрочных стеклянных волокон для армирования конструкционных композитов.

Технико-экономическая эффективность от использования стекла заключается в значительном улучшении технологических характеристик стекла при использовании недефицитных дешевых сырьевых материалов, таких как доломит и каолин.

Себестоимость стекловолокнистых материалов из предлагаемого состава стекла на 30-40% ниже себестоимости стекловолокнистых материалов из стекла - прототипа.

Срок службы стеклоплавильных сосудов при выработке волокна из стекла предлагаемого состава увеличивается в 1,1-1,3 раза, что ведет к экономии платиновых металлов.

Формула изобретения

СТЕКЛО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛОВОЛОКНА, включающее SiO₂, Al₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит CaO, Fe₂O₃, K₂O и Na₂O при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 57 - 60 Al₂O₃ 24 - 26 MgO 4 - 9 TiO₂ 0,4 - 0,8 ZrO₂ 0,07 - 0,15 CaO 6 - 10 Fe₂O₃ 0,2 - 0,45
K₂O 0,05 - 0,3
Na₂O 0,05 - 0,3

РИСУНКИ

Рисунок 1