專利名稱：一種高強(qiáng)度玻璃纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度玻璃纖維，可以作為高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)基材，廣泛用于風(fēng)電葉片、國防軍工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)度玻璃纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐溫性高、抗疲勞性好等特點(diǎn)，用它增強(qiáng)的復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性好、耐溫性高、耐老化、耐腐蝕性好、結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性、可加工性能好等特點(diǎn)因此廣泛用于國防軍工、風(fēng)能、汽車、防彈等諸多領(lǐng)域。目前國內(nèi)生產(chǎn)的高強(qiáng)玻璃纖維有HS2和HS4兩種，HS2相對(duì)工藝性能較好，其不足是單絲拉伸強(qiáng)度4020MPa、拉伸彈性模量82.9GPa，性能與國外的高強(qiáng)相比較差，而HS4雖然單絲拉伸強(qiáng)度4600MPa、拉伸彈性模量86.4GPa與國外高強(qiáng)玻璃纖維相當(dāng)，其不足是析晶溫度較高，工藝性能較差。而且，HS2和HS4高強(qiáng)度玻璃纖維的生產(chǎn)能力低、生產(chǎn)成本導(dǎo)致的產(chǎn)品價(jià)格高，難以滿足風(fēng)能、汽車等對(duì)成本要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決現(xiàn)有高強(qiáng)度玻璃纖維存在的不足，公開一種具有良好機(jī)械性能即單絲拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量好，可以用作高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)基材的高強(qiáng)度玻璃纖維；本發(fā)明的另一個(gè)目的是公開一種制備上述高強(qiáng)度玻璃纖維的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下: 一種高強(qiáng)度玻璃纖維，包括下述組分制成:Si0253 57wt%、Al20323 26wt%、MgOll.5 14.5wt%、B2032 4wt%、Fe2O30.2 1.0wt%、CeO20.2 1.0wt%、Li2O0.2
0.8wt%、TiO2O lwt%，ZrO2, Y2O3及其它化合物，ZrO2, Y2O3及其它化合物總量小于lwt%。作為優(yōu)選，包括下述組分制成:Si025 3.5 56wt%、Al20323.5 25.5wt%、Mg012 14wt%、Β2032.5 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及其它化合物總量小于lwt%。一種高強(qiáng)度玻璃纖維的制備方法，將上述的各組分在1500°C 1550°C溫度條件下熔融制成玻璃，在1450 1500°C下再熔融，熔融玻璃在1320 1330°C溫度條件下拉制成纖維。作為優(yōu)選，將各組分在1500°C 1550°C溫度條件下，邊攪拌邊熔融，熔制12小時(shí)制成玻璃，在1450 1500°C下再熔融4小時(shí)以上，把單孔拉絲坩堝溫度降至1320 1330°C后，開始拉絲，拉制成直徑為8 9 μ m的連續(xù)纖維。采用了上述技術(shù)方案的高強(qiáng)度玻璃纖維，SiO2是玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑，其含量直接影響玻璃強(qiáng)度、模量、析晶溫度、高溫粘度等，隨著SiO2含量的增加，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性提高，纖維強(qiáng)度提高、高溫粘度提高、析晶溫度下降，但彈性模量降低，玻璃熔化溫度和拉絲溫度提高導(dǎo)致工藝性能下降；反之，纖維的強(qiáng)度降低。本發(fā)明玻璃纖維中的SiO2含量最佳值為54 56wt% ;A1203是玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑，其含量直接影響玻璃強(qiáng)度、模量、析晶溫度、工藝性能等，隨著Al2O3含量的增加，纖維強(qiáng)度提高、彈性模量提高、析晶溫度提高、熔制溫度、拉絲溫度提高導(dǎo)致工藝性能下降；反之，纖維的強(qiáng)度和模量降低，難以獲得高強(qiáng)度玻璃纖維。本發(fā)明玻璃纖維中的Al2O3含量最佳值為24 25.5wt%0 MgO是玻璃網(wǎng)絡(luò)外劑，適量的MgO具有降低玻璃析晶溫度、提高工藝性能和強(qiáng)度的作用，含量過高反而提高析晶溫度、降低纖維強(qiáng)度；太低難以起到應(yīng)有的作用。本發(fā)明玻璃中的MgO含量最佳值為12 14wt%。B2O3在此玻璃纖維中主要作為助熔劑，其作用降低析晶溫度、降低高溫粘度、降低析晶溫度、提高玻璃熔制和纖維成型性能。當(dāng)含量太低時(shí)，起到的效果不明顯；含量太高時(shí)，降低纖維的強(qiáng)度和模量，難以獲得高強(qiáng)度玻璃纖維。本發(fā)明玻璃中的B2O3含量最佳值為2.5 3.5wt%。Fe203> CeO2, Li2O, TiO2等金屬氧化物主要起到助熔、澄清、降低高溫度粘度、改善熔制和纖維成型工藝性能。本發(fā)明玻璃纖維中這些組份的最佳值為Fe2O30.5 1.0wt%、CeO20.5
1.0wt%、Li2O0.4 0.6wt%、TiO20.2 0.6wt%。玻璃纖維中含有少量ZrO2, Y2O3等其它化合物，其總量小于lwt%，能有效提高纖維的彈性模量，提高纖維的耐溫性和化學(xué)穩(wěn)定性。本發(fā)明的玻璃可以1500 1550°C溫度條件下，用電加熱熔融預(yù)配好的玻璃配合料來獲得高強(qiáng)度玻璃。然后把玻璃在1450 1500°C下再熔融，熔融玻璃在1320 1330°C溫度條件下通過鉬金漏板的漏嘴拉制成直徑為8 9μπι連續(xù)纖維。拉制的纖維可以根據(jù)用戶需要制成玻璃纖維布、紗、帶等各種玻璃纖維產(chǎn)品。綜上所述，該高強(qiáng)度玻璃纖維的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械性能好即單絲拉伸強(qiáng)度達(dá)到4540 4720MPa、拉伸彈性模量達(dá)到85 87GPa，玻璃纖維密度與E玻璃相當(dāng)，與傳統(tǒng)E玻璃纖維相比單絲拉伸強(qiáng)度提高30%以上、拉伸彈性模量提高18%以上。該高強(qiáng)度玻璃纖維的制備方法的優(yōu)點(diǎn)是成形溫度是1320 1330°C，液相溫度1250 1270°C，生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式表I為本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維的實(shí)施例。按表I中所示的一種高強(qiáng)度玻璃纖維，包括下述組分制成:Si025 3 57wt%、Al20323 26wt%、Mg011.5 14.5wt%、B2032 4wt%、Fe2030.2 1.0wt%>CeO20.2 1.0wt%>Li2O0.2 0.8wt%、TiO2O lwt%，上述氧化物在高強(qiáng)度玻璃纖維中的總含量達(dá)到99wt%以上，本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維中含有少量Zr02、Y203及其它化合物，Zr02、Y203及其它化合物總量小于lwt%。
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實(shí)施例:表I
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度玻璃纖維，其特征在于包括下述組分制成:Si0253 57wt%、Al20323 .26wt%、Mg011.5 14.5wt%、B2032 4wt%、Fe2030.2 1.0wt%、Ce020.2 1.0wt%、Li200.2 .0.8wt%、TiO2O lwt%，ZrO2, Y2O3及其它化合物，ZrO2, Y2O3及其它化合物總量小于lwt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度玻璃纖維，其特征在于包括下述組分制成:.Si0253.5 56wt%> Α120323.5 25.5wt%> MgO12 14wt%> Β2032.5 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，Zr02、Y2O3及其它化合物總量小于lwt%。
3.一種高強(qiáng)度玻璃纖維的制備方法，其特征在于將權(quán)利要求1所述的各組分在.1500°C 1550°C溫度條件下熔融制成玻璃，在1450 1500°C下再熔融，熔融玻璃在.1320 1330°C溫度條件下拉制成纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高強(qiáng)度玻璃纖維的制備方法，其特征在于將各組分在.1500°C 1550°C溫度條件下，邊攪拌邊熔融，熔制12小時(shí)制成玻璃，在1450 1500°C下再熔融4小時(shí)以上， 把單孔拉絲坩堝溫度降至1320 1330°C后，開始拉絲，拉制成直徑為8 .9 μ m的連續(xù)纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度玻璃纖維。一種高強(qiáng)度玻璃纖維，包括下述組分制成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及其它化合物總量小于1wt%。該高強(qiáng)度玻璃纖維的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械性能好即單絲拉伸強(qiáng)度達(dá)到4540～4720MPa、拉伸彈性模量達(dá)到85～87GPa，玻璃纖維密度與E玻璃相當(dāng)，與傳統(tǒng)E玻璃纖維相比單絲拉伸強(qiáng)度提高30%以上、拉伸彈性模量提高18%以上。
文檔編號(hào)C03B37/022GK103172265SQ20131012170
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者徐時(shí)清, 孫杏國, 王煥平, 趙士龍, 李兵鵬 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院