CN103172265B - 一种高强度玻璃纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度玻璃纤维。一种高强度玻璃纤维，包括下述组分制成：SiO₂53～57wt%、Al₂O₃23～26wt%、MgO11.5～14.5wt%、B₂O₃2～4wt%、Fe₂O₃0.2～1.0wt%、CeO₂0.2～1.0wt%、Li₂O0.2～0.8wt%、TiO₂0～1wt%，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物总量小于1wt%。该高强度玻璃纤维的优点是机械性能好即单丝拉伸强度达到4540～4720MPa、拉伸弹性模量达到85～87GPa，玻璃纤维密度与E玻璃相当，与传统E玻璃纤维相比单丝拉伸强度提高30%以上、拉伸弹性模量提高18%以上。

Description

一种高强度玻璃纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度玻璃纤维，可以作为高性能复合材料的增强基材，广泛用于风电叶片、国防军工等领域。

背景技术

高强度玻璃纤维具有强度高、模量高、耐温性高、抗疲劳性好等特点，用它增强的复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性好、耐温性高、耐老化、耐腐蚀性好、结构的可设计性、可加工性能好等特点因此广泛用于国防军工、风能、汽车、防弹等诸多领域。目前国内生产的高强玻璃纤维有HS2和HS4两种，HS2相对工艺性能较好，其不足是单丝拉伸强度4020MPa、拉伸弹性模量82.9GPa，性能与国外的高强相比较差，而HS4虽然单丝拉伸强度4600MPa、拉伸弹性模量86.4GPa与国外高强玻璃纤维相当，其不足是析晶温度较高，工艺性能较差。而且，HS2和HS4高强度玻璃纤维的生产能力低、生产成本导致的产品价格高，难以满足风能、汽车等对成本要求高的应用领域。

发明内容

本发明的一个目的是解决现有高强度玻璃纤维存在的不足，公开一种具有良好机械性能即单丝拉伸强度和拉伸弹性模量好，可以用作高性能复合材料的增强基材的高强度玻璃纤维；本发明的另一个目的是公开一种制备上述高强度玻璃纤维的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种高强度玻璃纤维，包括下述组分制成：SiO₂53～57wt%、Al₂O₃23～26wt%、MgO11.5～14.5wt%、B₂O₃2～4wt%、Fe₂O₃0.2～1.0wt%、CeO₂0.2～1.0wt%、Li₂O0.2～0.8wt%、TiO₂0～1wt%，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物总量小于1wt%。

作为优选，包括下述组分制成：SiO₂53.5～56wt%、Al₂O₃23.5～25.5wt%、MgO12～14wt%、B₂O₃2.5～3.5wt%、Fe₂O₃0.5～1.0wt%、CeO₂0.5～1.0wt%、Li₂O0.4～0.6wt%、TiO₂0.2～0.6wt%，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物总量小于1wt%。

一种高强度玻璃纤维的制备方法，将上述的各组分在1500℃～1550℃温度条件下熔融制成玻璃，在1450～1500℃下再熔融，熔融玻璃在1320～1330℃温度条件下拉制成纤维。

作为优选，将各组分在1500℃～1550℃温度条件下，边搅拌边熔融，熔制12小时制成玻璃，在1450～1500℃下再熔融4小时以上，把单孔拉丝坩埚温度降至1320～1330℃后，开始拉丝，拉制成直径为8～9μm的连续纤维。

采用了上述技术方案的高强度玻璃纤维，SiO₂是玻璃网络形成剂，其含量直接影响玻璃强度、模量、析晶温度、高温粘度等，随着SiO₂含量的增加，玻璃网络结构完整性提高，纤维强度提高、高温粘度提高、析晶温度下降，但弹性模量降低，玻璃熔化温度和拉丝温度提高导致工艺性能下降；反之，纤维的强度降低。本发明玻璃纤维中的SiO₂含量最佳值为54～56wt%；Al₂O₃是玻璃网络形成剂，其含量直接影响玻璃强度、模量、析晶温度、工艺性能等，随着Al₂O₃含量的增加，纤维强度提高、弹性模量提高、析晶温度提高、熔制温度、拉丝温度提高导致工艺性能下降；反之，纤维的强度和模量降低，难以获得高强度玻璃纤维。本发明玻璃纤维中的Al₂O₃含量最佳值为24～25.5wt%。MgO是玻璃网络外剂，适量的MgO具有降低玻璃析晶温度、提高工艺性能和强度的作用，含量过高反而提高析晶温度、降低纤维强度；太低难以起到应有的作用。本发明玻璃中的MgO含量最佳值为12～14wt%。B₂O₃在此玻璃纤维中主要作为助熔剂，其作用降低析晶温度、降低高温粘度、降低析晶温度、提高玻璃熔制和纤维成型性能。当含量太低时，起到的效果不明显；含量太高时，降低纤维的强度和模量，难以获得高强度玻璃纤维。本发明玻璃中的B₂O₃含量最佳值为2.5～3.5wt%。Fe₂O₃、CeO₂、Li₂O、TiO₂等金属氧化物主要起到助熔、澄清、降低高温度粘度、改善熔制和纤维成型工艺性能。本发明玻璃纤维中这些组份的最佳值为Fe₂O₃0.5～1.0wt%、CeO₂0.5～1.0wt%、Li₂O0.4～0.6wt%、TiO₂0.2～0.6wt%。玻璃纤维中含有少量ZrO₂、Y₂O₃等其它化合物，其总量小于1wt%，能有效提高纤维的弹性模量，提高纤维的耐温性和化学稳定性。

本发明的玻璃可以1500～1550℃温度条件下，用电加热熔融预配好的玻璃配合料来获得高强度玻璃。然后把玻璃在1450～1500℃下再熔融，熔融玻璃在1320～1330℃温度条件下通过铂金漏板的漏嘴拉制成直径为8～9μm连续纤维。拉制的纤维可以根据用户需要制成玻璃纤维布、纱、带等各种玻璃纤维产品。

综上所述，该高强度玻璃纤维的优点是机械性能好即单丝拉伸强度达到4540～4720MPa、拉伸弹性模量达到85～87GPa，玻璃纤维密度与E玻璃相当，与传统E玻璃纤维相比单丝拉伸强度提高30%以上、拉伸弹性模量提高18%以上。该高强度玻璃纤维的制备方法的优点是成形温度是1320～1330℃，液相温度1250～1270℃，生产成本低，适合大规模生产。

具体实施方式

表1为本发明的高强度玻璃纤维的实施例。

按表1中所示的一种高强度玻璃纤维，包括下述组分制成：SiO₂53～57wt%、Al₂O₃23～26wt%、MgO11.5～14.5wt%、B₂O₃2～4wt%、Fe₂O₃0.2～1.0wt%、CeO₂0.2～1.0wt%、Li₂O0.2～0.8wt%、TiO₂0～1wt%，上述氧化物在高强度玻璃纤维中的总含量达到99wt%以上，本发明的高强度玻璃纤维中含有少量ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物总量小于1wt%。

实施例：

表1

一种高强度玻璃纤维的制备方法，将上述的各组分混合配制成配合料，装在铂金化料坩埚内，除了SiO₂采用石英砂为矿物原料以外，其它全部采用氧化物化工原料，在1500℃～1550℃温度条件下，边搅拌边熔融，熔制12小时，把熔制好的玻璃流到耐热钢板上，制成玻璃料块，取一部分料块放入单孔拉丝坩埚内，在1450～1500℃下再熔融4小时以上，把单孔拉丝坩埚温度降至1320～1330℃后，开始拉丝，调整拉丝速度，使得拉制成的连续纤维直径为8～9μm，用特制的取样器和试样条取漏孔与拉丝机之间的单丝，用于单丝拉伸强度测试；取一部分玻璃料块用于玻璃密度测定；另外把铂金化料坩埚化的料加入到100孔全铂拉丝坩埚内，调整坩埚漏板温度至1320～1330℃，调整拉丝速度，拉制12Tex左右的原丝，用于测量弹性模量。

玻璃密度测试方法：采用悬浮法，即用天平浸入水中前后的重量；玻璃纤维单丝强度测定方法：用取样器和试样条取漏孔与绕丝筒之间的未经受磨损的单根纤维，用UTM-11-20自动记录强力机测强力，用测量显微镜在800倍放大率的条件下测量纤维直径。测试条件：强力测试，选定纤维长度10mm、拉伸速率8mm/min、环境温度22～25℃、湿度40～55%；纤维直径8～9μm；玻璃纤维弹性模量测试方法：采用声波法，即把全铂拉丝坩埚拉制的12Tex左右的原丝一端用松香焊在铜芯喇叭上，另一端用夹子固定，两固定点距离为100cm，把喇叭接在音频信号发生器上，测量音频信号发生器发射与接收信号达到最小时的频率，根据频率计算弹性模量。

Claims (2)

1.一种高强度玻璃纤维，其特征在于由下述组分制成：SiO₂ 53.8～54.3wt%、Al₂O₃ 25.0～25.5wt%、MgO 14.5wt%、B₂O₃ 3.0～3.5wt%、Fe₂O₃ 0.6wt%、CeO₂ 0.5～0.8wt%、Li₂O 0.4～0.6wt%、TiO₂ 0.5～0.6wt%，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物，ZrO₂、Y₂O₃及其它化合物总量小于1wt%；所述高强度玻璃纤维为直径8～9μm的连续纤维；单丝拉伸强度达到4580～4687MPa；拉伸弹性模量达到86.4～86.8GPa；成形温度1321-1322℃；液相温度1252-1254℃；所述高强度玻璃纤维由如下方法制备：各组分在1500℃～1550℃温度条件下， 边搅拌边熔融12小时制成玻璃，在1450～1500℃下再熔融4小时以上，1321～1322℃拉丝。

2.一种高强度玻璃纤维的制备方法，其特征在于将权利要求1所述的各组分在　1500℃～1550℃温度条件下熔融12小时制成玻璃，在1450～1500℃下再熔融4小时以上，熔融玻璃在1321～1322℃温度条件下拉制成直径8～9μm的连续纤维。