一种高性能玻璃纤维组分及其制造方法

技术领域

本发明属于玻璃纤维技术领域，具体涉及一种连续高强度玻璃纤维组分及其制造方法。

背景技术

高强玻璃纤维是用硅-铝-镁-钙系统的玻璃拉制的玻璃纤维，与无碱玻璃纤维相比，具有拉伸强度高、弹性模量高，抗冲击性能好，抗疲劳及耐高温等一系列优良性能。广泛应用于航天、航空、国防军工、风能、防弹等诸多领域。

随着时代发展及科技进步，各大玻璃纤维公司纷纷开发出了高强玻璃纤维。如美国专利3402055，其组分为65wt％SiO

国内HS玻纤是一种高强度玻璃纤维；主要有硅、铝、钙和镁的氧化物组成，其组分为52～66wt％SiO

法国R-玻纤主要组分为58～60wt％SiO

现有以上技术生产的玻璃纤维，其新生态强度均可达到3400MPa左右甚至更高，但生产技术存在着一些不足之处，比如气泡指数高，拉丝温度高，生产在断丝次数、耐水性、耐酸碱性都不是很理想；无法大规模产业化生产；组分中F元素的引入虽然可以降低玻璃高温粘度，有利于成型作业，但在生产中对环境造成污染。为满足高端领域的要求，需要对以上特性做进一步改善。

发明内容

针对现有技术中存在的不足问题，本发明首要目的提供一种拉伸强度高、弹性模量高、化学稳定性好、耐高温的高强度玻璃纤维。

本发明的第二个目的是提供上述高强度玻璃纤维的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高强度玻璃纤维，其包含如下成分：

本发明所采用的技术方案的高强玻璃纤维体系为：

SiO

本发明中，玻璃组分的比例主要有如下阐述：

SiO

Al

CaO属于网络外体离子，可以调节玻璃的高温粘度，提高玻璃的耐水性，含量过高会使玻璃料性变短，脆性增大，析晶倾向也增加。因此含量控制在5～12wt％

MgO在玻璃中的中作用与氧化钙相似，若以MgO取代部分CaO可以降低玻璃的析晶能力及调整玻璃的料性；用量过高不利于耐水性，降低化学稳定性。因此含量控制在5～10wt％。

碱金属Na

BaO介于碱金属离子与碱金属离子之间，属于网络外体离子。在玻璃熔制过程中起到很好的助熔作用。可以降低玻璃形成中的黏度，改善玻璃的料性，使玻璃易于熔制，并提高拉丝性能。由于BaO对耐火材料的侵蚀性，在玻璃组分含量不宜过高，因此含量控制在0.1～0.5wt％。

ZrO

添加少量氧化铋可以极大的降低玻璃的粘度，其高度的助熔性有利于提高玻璃的熔制质量，获得较低的气泡指数；但若引入过多，会由于离子半径变大，易于极化，破坏玻璃的网络结构。因此本发明中Bi

CeO

上述的玻璃组分设计中不含硼化合物和氟化合物。

在传统的玻璃组分设计中，通常含有

但在高强玻璃纤维熔制过程中，

本发明体系中主要技术创新是通过

进一步的，本发明中通过引入微量的

一种上述高强度玻璃纤维制备方法，其包含如下方法：

(1)SiO

(2)用喂料器将混合物喂入实验窑炉中并在1400～1500℃下熔融，澄清均化至少6小时得到均匀、无气泡的玻璃液；

(3)将玻璃液经铂铑合金漏板进行拉丝，得到高强度玻璃纤维。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明在不含硼化物和氟的前提下，采用“三系”澄清法制备高强度连续玻璃纤维，具有熔制温度、玻璃液粘度适中、玻璃液液相线低、不易析晶、拉丝性能表现优越、较低的气泡指数。相比于现有技术生产的玻璃纤维在产业化和规模化更具优越性。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步说明：

六组实施例：

每个实施例的高强度玻璃纤维制备方法都以以下步骤实施：

将各种原料按照配方的比例制成配合料，用球磨机将配合料混合均匀放入铂金坩埚在1500-1520℃保温5h得到均匀、无气泡的玻璃液；将玻璃液倒入预先准备好的石墨磨具内，在高温炉内进行退火处理，将制备好的玻璃片进行研磨成φ6mm*25mm圆片，然后进行热膨胀系数测量。

将混合料混合均匀的配合料使用螺旋喂料器将料投入实验窑内进行熔融拉丝；采集玻璃珠进行气泡检测，记录拉丝断丝率和运转效率评估拉丝性能。

拉丝温度是指玻璃液粘度为1000泊时的温度。

化学稳定性评估：取定量的玻纤纱分别在95℃去离子水、1mol/L硫酸溶液和NaOH溶液中2h后的质量损失率来表征。

检测实施例玻璃纤维的拉伸强度测试；上述测试结果如表1所示。

表1为本发明实例及实验结果对比如下：

由表1可知，本发明的玻璃纤维具有较高的拉伸强度，与现有技术相比，其具有更好的耐酸碱性、耐水性；在拉丝性能方面表现优越，具有相对较低的拉丝温度；且具有较低的断丝次数和低的气泡指数，满足后续高端产品的要求。