CN101182125A - 一种红外微晶玻璃纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于红外纤维制备技术领域的涉及高红外发射效率、良好的柔韧性，可纺性强及热稳定性好等综合性能优异的一种红外微晶玻璃纤维及其制备方法。该红外发射微晶玻璃纤维以MgO－Al2O3－SiO2系堇青石陶瓷配方为主料，添加助熔澄清剂、过渡金属氧化物及添加剂制备而成，经过熔化和澄清，使其具有优异的拔丝成型性和高红外发射率，制成具有高红外发射效率的微晶玻璃纤维。本红外微晶玻璃纤维在常温环境下，具有较高的强韧性、良好的可纺性，可广泛用于纺织和编织，能制成保温服装材料，还可用于机械、医疗和保健等领域。
Description
技术领域
本发明属于红外纤维准备技术领域，特别涉及高红外发射效率、良好的柔韧性，可纺性强及热稳定性好等综合性能优异的一种红外微晶玻璃纤维及其制备方法。
背景技术
目前广泛使用的红外纤维主要有两类：第1类是在成纤聚合物中添加颗粒直径较小的红外陶瓷粉。这类红外纤维的不足之处在于：(1)由于陶瓷粉不连续，在纺丝过程中容易断丝和堵塞丝孔，使纺丝困难；(2)所添加的红外陶瓷颗粒的比例不能过大(一般小于20％)，过大则影响纺织品的强度，过小则影响红外发射能力。第2类是由蚕丝蛋白纤维、精干罗布麻纤维等天然纤维的纺织物再与远红外纤维混合制成一种卷曲形状的交织物。制造方法包括以下步骤：将蚕丝蛋白纤维和精干罗布麻纤维纺制成粗纱条再与红外陶瓷纤维制成混合粗纱条、细单纱并处理成针织纱，织成针织面料并进行定型处理、柔软处理及抗菌处理。它保暖性好、透气与透湿度强，并具有良好与持久的保健作用。不足之处在于这种纤维的后续处理工艺较复杂，难以控制，而且红外线发射效率较低。
玻璃纤维红外发射材料的辐射机理，主要是由于自由载流子、杂质能级跃迁引起的辐射光谱带和多声子组合辐射带，形成了特定材料很宽的红外吸收带。常用两种方法改善材料的红外发射率，分别是：(1)化学掺杂，该法可有效改善材料在短波区的红外发射率。这是由于在1～5μm波段，材料的发射率主要决定于自由载流子与杂质的辐射。另外适当选择掺入杂质的含量与种类，可改变自由载流子与杂质辐射带的波长位置，使其与二声子组合强辐射带联在一起，提高材料在5μm波段以外的红外发射率。(2)材料晶格畸变，晶格振动、杂质辐射、晶格畸变等是决定材料辐射性能的重要因素，而这些因素均与材料的晶体结构密切相关。在材料中掺入与基料离子半径相近的物质，一方面掺杂离子与基料离子间形成有效的掺杂效应，能在局部区域形成杂质能级，导致物体晶格周期性的破坏，极大地提高了晶格极性振动的非简谐效应，使材料红外辐射性增强；另一方面，由于离子半径相近，掺杂离子容易以某种配位形式占据基料离子的结构位置，导致材料内部失去电价平衡，在有些地方富集正电荷，而有些地方则富集空穴，称之为缺陷，这些缺陷的形成可有效改善材料在一定波长范围内的红外发射率。
本发明的基本思路：(1)本发明所使用的基本配方主体成分是具有高红外发射率的堇青石陶瓷配方；(2)在此基础上加入Fe2O3，MnO，CuO及Co2O3等过渡族金属氧化物，增强产品的红外发射率；(3)加入一些玻璃助熔剂，制成微晶玻璃丝，这种超细微晶玻璃丝具有相当多的表面缺陷，进一步提高红外发射率；(4)微晶玻璃丝强韧性高，在纺织品中掺入量大，可达80％以上。用这种纤维所制成的产品，特别是医疗保健产品，保健效果特别明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外微晶玻璃纤维及其制备方法，该微晶玻璃纤维具有较高的红外线发射效率，优异的柔韧性，良好的可纺性，并且具有良好的保健作用。
所述红外微晶玻璃纤维以发射红外线性能较好的MgO-Al2O3-SiO2系蓳青石陶瓷配方为主料，添加助熔澄清剂、过渡金属氧化物及添加剂制备而成，其中主料占总重量的60～80wt％；过渡族金属氧化物占总重量的11％～25wt％；助熔澄清剂占总重量的7～10wt％和添加剂占总重量的2～5wt％。
所述红外微晶玻璃纤维的制备工艺步骤如下：
①配料：取占总重量的60～80wt％的主料、占总重量的11％～25wt％的过渡族金属氧化物、占总重量的7～10wt％的助熔澄清剂和占总重量的2～5wt％添加剂均匀混合，其中各原料粒径小于20目；
②熔化：将上述混合原料在坩锅1450～1550℃范围内熔化，再在1350～1500℃范围内澄清为玻璃熔体；
③抽丝：取玻璃熔体在1200～1400℃进行抽丝，在抽丝过程中，控制抽丝速度为600～700m/min和环境温度为850～900℃，使其析出纳米晶蓳青石、MnFe2O4、CuFe2O4、CuMn2O4、MgFe2O4等陶瓷晶体，并使细丝保持较高的强韧性。
所述主料成分，按重量比为SiO2(堇青石)∶MgO∶Al2O3＝5～6∶1～2∶2～3。
所述过渡族金属氧化物为Fe2O3、MnO、ZnO、TiO2、CuO及Co2O3中的一种或一种以上，其中各氧化物之间的重量比是2∶1∶1∶1∶1∶2。
所述助熔剂为B2O3、CeO2及Li2O中的一种或一种以上，其中各氧化物之间的重量比是3∶1∶1。
所述添加剂为纯碱，方解石，硫酸钠中的一种或一种以上，其中纯碱(Na2CO3)，方解石(CaCO3)，硫酸钠(Na2SO4)之间的重量比是3∶1∶2。
本发明的有益效果是采用上述配方和工艺制取的红外玻璃纤维的红外线发射效率可达0.9以上，显著高于传统有机聚合物红外纤维和红外交织物的红外发射效率。可以避免普通的红外纤维由于陶瓷粉含量过高而造成的可纺性差、含量过小而导致红外发射效率低的缺点。以本发明的方法纺丝时，红外微晶玻璃纤维的可纺性明显改善，具有较好的工业化生产价值
具体实施方式
本发明提供一种红外微晶玻璃纤维及其制备方法，该微晶玻璃纤维具有较高的红外线发射效率，优异的柔韧性，良好的可纺性，并且具有良好的保健作用。
红外微晶玻璃纤维的组成
以发射红外线性能较好的MgO-Al2O3-SiO2系蓳青石陶瓷配方为主料，添加助熔剂、过渡金属氧化物及添加剂制备而成，其中主料占总重量的60～80wt％；过渡族金属氧化物占总重量的11％～25wt％；助熔澄清剂占总重量的7～10wt％和添加剂占总重量的2～5wt％。
在组成设计中要考虑以下3个问题：(1)尽量使玻璃较易熔炼；(2)在一定的温度下容易抽丝；(3)在拉丝过程中通过温度控制析出纳米微晶，同时这种微晶玻璃丝还必须保持较高的强韧性。
所述红外微晶玻璃纤维的制备工艺步骤如下：
①配料：取占总重量的60～80wt％的主料、占总重量的11％～25wt％的过渡族金属氧化物、占总重量的7～10wt％的助熔澄清剂和占总重量的2～5wt％添加剂均匀混合，其中各原料粒径小于20目；
②熔化：将上述混合原料在坩锅1450～1550℃范围内熔化，再在1350～1500℃范围内澄清为玻璃熔体；
③抽丝：取玻璃熔体在1200～1400℃进行抽丝，在抽丝过程中，控制抽丝速度为600～700m/min和环境温度为850～900℃，使其析出纳米晶堇青石、MnFe2O4、CuFe2O4、CuMn2O4、MgFe2O4等陶瓷晶体，并使细丝保持较高的强韧性。
所述主料成分，按重量比为SiO2∶MgO∶Al2O3＝5～6∶1～2∶2～3。
所述过渡族金属氧化物为Fe2O3、MnO、ZnO、TiO2、CuO及Co2O3中的一种或一种以上，其中各氧化物之间的重量比是2∶1∶1∶1∶1∶2。
所述助熔澄清剂为B2O3、CeO2及Li2O中的一种或一种以上，其中各氧化物之间的重量比是3∶1∶1。
所述添加剂为纯碱，方解石，硫酸钠中的一种或一种以上，其中纯碱，方解石，硫酸钠之间的重量比是3∶1∶2。
下面以实施例具体地描述本发明，本发明的范围不受实施例的限制。
实施例1
选取70wt.％的上述比例成分的主料、8wt.％助熔澄清剂B2O3和CeO2(重量比，3∶1)、20wt.％过渡族金属氧化物Fe2O3、MnO和CuO(重量比，Fe2O3∶MnO∶CuO＝2∶1∶1)和2wt.％的添加剂方解石(CaCO3)的配比，将原材料过20目筛，精确称量之后在混料机中均匀混合，然后将混合料加入高温炉中，在1500℃熔化，得到无气泡的玻璃熔体，然后在1250～1400℃抽丝，控制抽丝机卷绕速度为700m/min，在抽丝过程中，纤维经过850～900℃的炉腔，以便在玻璃纤维中形成微纳米晶堇青石、MnFe2O4、CuFe2O4、CuMn2O4、MgFe2O4等陶瓷晶体。所拉制的玻璃纤维通过聚合物槽，制成聚合物包裹的红外微晶玻璃纤维。
该纤维可用常规的加工条件，经纺纱后加工成针织布、机织布或加工成非织造布等。
实施例2
将73wt.％的上述比例成分的主料，8wt.％助熔澄清剂B2O3，16wt.％过渡族金属氧化物Fe2O3、和添加剂纯碱3.0wt.％，在混料机中均匀混合，然后将混合料加入高温炉中，在1480℃熔化。把玻璃熔体输送到抽丝机中，然后在1250～1400℃抽丝，控制抽丝机卷绕速度为600m/min，在抽丝过程中，纤维经过850～900℃的温度范围的炉腔，在玻璃纤维中形成微纳米晶堇青石、MgFe2O4等陶瓷晶体。将成型的红外微晶玻璃纤维与有机纤维或天然纤维混纺成低弹长丝。
该纤维可用常规的工艺加工成各种针织品和机织布。
实施例3
将72wt.％的上述比例成分的主料，7wt.％助熔澄清剂Li2O，18wt.％过渡族金属氧化物MnO、Fe2O3(重量比，1∶2)，和添加剂硫酸钠3.Owt.％。在混料机中充分混合，然后将混合料加入高温炉中，在1540℃熔化，然后把玻璃熔体输送到抽丝机中，在1250～1400℃抽丝，控制抽丝机卷绕速度为675m/min，在抽丝过程中，纤维经过830～890℃的温度范围的炉腔，在玻璃纤维中形成微纳米晶堇青石、MnFe2O4、MgFe2O4等陶瓷晶体，纺成低弹长丝。
该纤维可用常规的工艺加工成床垫、床单、鞋垫等。
Claims (6)
1.一种红外微晶玻璃纤维，其特征在于，所述红外微晶玻璃纤维以发射红外线性能较好的MgO-Al2O3-SiO2系蓳青石陶瓷配方为主料，添加助熔澄清剂、过渡金属氧化物及添加剂制备而成，其中主料占总重量的60～80wt％；过渡族金属氧化物占总重量的11％～25wt％；助熔澄清剂占总重量的7～10wt％和添加剂占总重量的2～5wt％。
2.根据权利要求1所述红外微晶玻璃纤维，其特征在于，所述主料成分中按重量比，SiO2∶MgO∶Al2O3＝5～6∶1～2∶2～3。
3.根据权利要求1所述红外微晶玻璃纤维，其特征在于，所述过渡族金属氧化物为Fe2O3、MnO、ZnO、TiO2、CuO及Co2O3中的一种或一种以上，其中各氧化物之间的重量比是2∶1∶1∶1∶1∶2。
4.根据权利要求1所述红外微晶玻璃纤维，其特征在于，所述助熔剂为B2O3、CeO2及Li2O中的一种或一种以上，其中各氧化物之间的重量比是3∶1∶1。
5.根据权利要求1所述红外微晶玻璃纤维，其特征在于，所述添加剂为纯碱，方解石，硫酸钠中的一种或一种以上，其中纯碱，方解石，硫酸钠之间的重量比是3∶1∶2。
6.一种红外微晶玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述红外微晶玻璃纤维的制备工艺步骤如下：
①配料：取占总重量的60～80wt％的主料、占总重量的11％～25wt％的过渡族金属氧化物、占总重量的7～10wt％的助熔澄清剂和占总重量的2～5wt％添加剂均匀混合，其中各原料粒径小于20目；
②熔化：将上述混合原料在坩锅内，1450～1550℃内熔化，再在1350～1500℃范围内澄清为玻璃熔体；
③抽丝：取玻璃熔体在1200～1400℃进行抽丝，在抽丝过程中，控制抽丝速度为600～700m/min和环境温度为850～900℃，使其析出含有纳米晶堇青石、MnFe2O4、CuFe2O4、CuMn2O4或MgFe2O4的陶瓷晶体，并使细丝保持较高的强韧性。
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