CN102050583A - 一种耐化学腐蚀的玻璃纤维 - Google Patents
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Abstract
一种适用于酸性和碱性环境下长期使用的耐腐蚀玻璃纤维,具有更高的拉伸强度和弹性模量且完全不含硼和氟,是一种环境友好型的无碱玻璃纤维。其组成以SiO2、Al2O3、CaO三元系统为主,其特征是在所述三元体系组成基础上,引进和/或增加MgO、ZrO2、TiO2组分;其中SiO2、Al2O3、CaO三种主量组分在玻璃纤维中所占质量份数为93.5~97.5%;其余次量组分,包括MgO、ZrO2、TiO2、Na2O、K2O、Fe2O3、Li2O以及不可避免的杂质,在玻璃纤维中所占质量份数之和为2.5~6.5%。其耐化学腐蚀性明显地高于普通无碱玻璃纤维,耐酸性与ECR玻璃相当;且抗拉伸强度也明显高于E玻璃和ECR玻璃。该组分的玻璃纤维比传统的E玻璃纤维具有更好的耐高温性、耐化学腐蚀性和弹性模量。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐化学腐蚀的玻璃纤维材料,该玻璃纤维的抗拉强度和弹性模量明显高于E玻璃纤维。适用于高性能玻璃钢生产领域及酸性及弱碱性环境下长期使用,同时也是一种有害气体排放少,环境友好型的玻璃纤维配方。
背景技术
用于制造连续玻璃纤维原丝的最常用的玻璃组合物为“E玻璃”。E玻璃的液相线温度为1050℃或者更低,E玻璃是碱金属氧化物含量小于1%的铝硼硅酸盐玻璃。其耐化学腐蚀性较差,尤其不耐无机酸的侵蚀,由其制备的玻璃钢在酸性环境下十分容易被侵蚀而与树脂基体剥离,迅速失去强度;在碱性环境下也会加速失去强度。
针对这一缺点,许多企业科研机构进行了大量研究。如国外已公开的一些专利玻璃成分,具有代表性的是ECR玻璃纤维,其不含硼和氟,但为了降低玻璃高温粘度,添加了总量高于4.0%的ZnO和TiO2,由于ZnO和TiO2价格昂贵,因此玻璃原料成本大大提高,特别是ZnO含量一般高达2.5%,导致玻璃的原料成本大幅度上升,制约了该玻璃纤维的推广应用。有些玻璃钢使用环境复杂多变,因此研发具有优良的耐酸性又能显著提高耐碱性的玻璃纤维是必要的。
发明内容
本发明针对传统E玻璃和现有的耐酸侵蚀性优良的玻璃纤维的这些缺点,通过大量实验,探讨玻璃成分中影响玻璃耐腐蚀性能的因素,发现除了一些主量元素(如B2O3、SiO2)外,一些次主量元素对玻璃纤维的耐腐蚀性能影响也比较显著(如ZrO2、TiO2、Li2O、MgO)。通过调整配方寻找最好的组分搭配比例范围,可以在大大提高耐化学性能(尤其是耐酸性能,同时对其耐碱性也有较明显的改进)的同时,保证其良好的易于工业化作业性能及较低的成本。
本发明提供了一种耐化学腐蚀的玻璃纤维,其组成以SiO2 、Al2O3 、CaO三元系统为主,在所述三元体系组成基础上,引进和/或增加MgO 、ZrO2和TiO2组分;同时不使用含F、B和Zn的原料组分;其中SiO2 、Al2O3 、CaO三种主量组分在玻璃纤维中所占质量份数为93.5~97.5%;其余次量组分,包括MgO 、ZrO2、TiO2、Fe2O3、Na2O、K2O、Li2O以及不可避免的杂质,在玻璃纤维中所占质量份数之和为2.5~6.5%。
本发明获得了一种适合于使用目前E玻璃纤维生产工艺与装置大体相似的方法生产耐化学腐蚀的玻璃纤维。
本发明所述的玻璃纤维,属于SiO2 -Al2O3 –CaO三元系统,在此基础上,进一步限定三元组分之间的质量比例为SiO2 :Al2O3 :RO(CaO+MgO)=(9~10): 2:4,以此构成本发明的框架约束比例。在上述的比例约束下,各组分的绝对用量可以允许有不大于4%的波动,增加了原料及配方使用设定的灵活性,而且不会影响玻璃的基本性能。
为了提高玻璃纤维的耐化学性能,同时又要保证其良好的易于工业化作业性能及经济成本,本发明在现有三元系统基础上,引进和/或增加MgO 、ZrO2、TiO2 和Li2O组分,调整和优选了各组分之间的相互搭配比例范围和相互约束关系,提供了一种不使用含F、B和Zn的原料的,具有新组成结构的耐化学腐蚀性玻璃纤维。
具体调整和优选的各组合相互限定关系如下:
引入MgO组成比例为:MgO/(CaO+MgO)=0.05~0.12 ,
且( K2O+Na2O)/ (CaO+MgO+ K2O+Na2O)=0.015~0.05;
根据ZrO2引入量不同,选用少量Li2O取代部分K2O和Na2O,比例为:Li2O/( Li2O+ K2O+Na2O)=0~0.5;
引入ZrO2 组成比例为:ZrO2/( SiO2 +ZrO2)=0.005~0.035;
用TiO2 部分取代SiO2,比例为:TiO2/( SiO2 +ZrO2+ TiO2)=0.002~0.025;
同时Li2O引入量应满足Li2O/ ZrO2=0~0.5,优选0.1-0.35,Li2O用量不大于0.4%。
在SiO2-Al2O3-CaO三元系统基础上,按上述相互比例关系搭配次量组分,在最终的玻璃组成中,SiO2-Al2O3–CaO三者的重量百分比之和不低于93.5%,且不高于97.5%,其绝对含量可以允许有不大于4%的波动。
另外,在上述比例约束范围内,实际生产中所采用的天然矿物等会不可避免的引入Fe2O3、SrO、SO3、BaO、P2O5等,其总和不超过玻璃成分总量1%。
在上述方案中,所说的玻璃纤维中无F,是指在玻璃配合料中不主动加入含氟的助熔剂如萤石,但其中不可避免地会有其他天然矿物引入微量的F,其含量不大于0.005%。
本发明的玻璃成分中完全不使用含硼的化合物,而且生产该玻璃的所需矿物原料中不含任何硼元素,因此真正的做到了无硼,对环境几乎不会造成任何危害,是无硼无氟玻璃纤维。
采用上述本发明技术方案所优选的耐化学腐蚀性玻璃纤维的组成范围如下:
SiO2 58.0~61.0%; Al2O3 12.5~13.55%;
CaO 21.5~23.8%; MgO 1.5~3.5%;
ZrO2 0.3~2.0%; TiO2 0.1~0.9%;
Na2O+K2O 0.4~1.0%; Li2O 0~0.35%;
Fe2O3 0~0.5%。
本发明所提供的SiO2 -Al2O3 -CaO系统的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其耐化学侵蚀性基本上取决于玻璃的化学组成,该玻璃中完全去除B2O3,改变了玻璃的化学结构,形成更加完整的Si-O结构,不易产生某些成分的聚集集团,从而使网络结构更加完整,不易被无机酸和碱侵蚀。ECR-玻璃也是一种SiO2 -Al2O3 -CaO系统的玻璃,为了提高耐酸性其主要是添加了ZnO,由于其经济成本很高而限制了其在实际应用中的推广,并且其与无碱玻璃纤维相比耐碱性的优势不明显,不适宜在环境更加复杂的环境下应用。本发明的玻璃成分中SiO2+Al2O3+MgO+ZrO2大于ECR玻璃,其弹性模量和强度均明显高于ECR玻璃。
SiO2-Al2O3-CaO三元系统是本发明的基础成分,是玻璃的主体,也是其他几种有效化合物引入的载体。其比例设定为SiO2 :Al2O3 :RO(CaO+MgO)=(9~10): 2:4,该比例组成范围正好在该三元系统的共熔区,共存稳定且不易于析晶。其绝对含量可以允许有不大于4%的波动,是指该三组分在构成玻璃时各自的绝对含量可以有上下4%的变化来实现最终成分组合,而不影响纤维性能。
SiO2是组成玻璃的网络骨架,也是玻璃网络结构的决定性成分。若SiO2含量增加超过4%,玻璃粘度会明显增大,成纤温度明显上升,作业难度会显著增加,不利于作业的稳定,减少超过4%会明显影响纤维的力学性能。
Al2O3在玻璃中有着特殊的作用,从玻璃结构理论看,在该系统中一定量的Al2O3会以[AlO4]四面体的形式进入玻璃的网络结构,过多时会产生[AlO6]配位结构,填充在网络间,因此其含量过高会明显增加玻璃的高温黏度和表面张力造成玻璃熔制和澄清困难。且由于Al2O3的多配位特点,保持一定量时可以有效抑制晶体的形成,减少玻璃熔制和滞留时的析晶。在上述比例约束下,允许用量在
4%范围内波动,能确保玻璃的熔化澄清温度不至于太高,且能有效避免析晶的产生,保持玻璃优异的性能。
本发明玻璃纤维中的CaO+MgO+TiO2+ZrO2含量比较高,特别是CaO+MgO含量较高,若Al2O3含量减少超过4%,补充进来的其他粒子会影响到玻璃网络骨架结构的均匀完成,从而明显影响玻璃的化学侵蚀性能,且玻璃的析晶倾向会增大。
CaO会显著降低玻璃液的高温粘度,利于玻璃熔化。其含量较高时易于晶体的快速生长,会明显提高玻璃的析晶倾向,加速析晶,并且使玻璃粘度随温度变化太快,不利于玻璃纤维成型稳定,是玻璃成型过程中重大危险因素。本发明中引入了MgO在前述的系统比例的约束下,限定了其含量,MgO/(CaO+MgO)=0.05~0.12。MgO中的Mg2+的离子场强大于Ca2+,故在玻璃纤维中适量引入MgO可提高玻璃的机械强度和化学稳定性。 MgO在该玻璃配方中又具有其特定的作用,引入MgO增加了液态玻璃液中的一个相,为玻璃熔融状态特别是液相线附近的玻璃相之间平衡起到明显的稳定作用,但MgO含量过高会明显增大析晶的危险,因此本发明中限定为MgO/(CaO+ MgO)=0.05~0.12。
由于很多矿物中有含有一定量的K2O和Na2O,因此其在玻璃中是肯定存在的。二者对降低玻璃熔体粘度改善玻璃析晶倾向有很好的作用,但由于对其电气性能的影响较大,因此其用量限定为:
( K2O+Na2O)/ (CaO+MgO+ K2O+Na2O)=0.02~0.05。
ZrO2是本发明特意引入的一个重要组分,以三元系统的比例为基础,用ZrO2 部分取代SiO2,ZrO2比ECR玻璃中的ZnO具有更加优异的耐腐蚀性能,且对提高耐酸碱腐蚀都有一定的作用,其对玻璃性能有较明显的改进。ZrO2在玻璃中只有[ZrO8]一种配位,由于Zr4+粒子半径大,在玻璃结构中属于网络外体组分。其在硅酸盐玻璃中溶解度较小,引入量过多时会显著提高玻璃析晶温度及粘度,容易在成型区导致玻璃失透,大大影响生产效率,甚至损坏拉丝设备。在玻璃中,氧化锆延续了金属锆的最大优点-耐酸碱腐蚀性优异的特点。氧化锆在玻璃结构中可以有效填充玻璃网络空隙,并且含ZrO2的玻璃在酸、碱溶液中被水化后水化产物很难以离解成离子,即难溶于水溶液,因此在酸、碱溶液中含ZrO2玻璃的表面会形成水化的富ZrO2层,它的存在可以有效抑制玻璃的进一步被侵蚀,因此加入ZrO2后的玻璃具有很好的耐化学腐蚀性能,ZrO2对提高玻璃的耐酸、碱性起到很好的作用。本发明中引入ZrO2更加优化了玻璃纤维的环境适应性,能更好的提高其耐化学侵蚀性,引入太少时,作用不明显,因此本发明限定ZrO2 用量比例为ZrO2/( SiO2 +ZrO2)=0.005~0.035。
在完全去除含氟原料的同时,适量的引入TiO2能促进玻璃的熔化和高温条件下的澄清,同时对玻璃的耐酸性也有一定的作用。Ti-O键能较高,不易被酸碱等侵蚀,少量TiO2主要填充在玻璃网络空隙内,其存在能一定程度地阻止玻璃进一步被其他化学物质侵蚀。其引入太少没有明显效果,太多会导致玻璃颜色逐步呈黄色,并且会促进玻璃液的析晶,因此本发明中TiO2的引入量为,以三元系统的比例为基础,TiO2 取代部分SiO2,用量比例为TiO2/( SiO2 +ZrO2+ TiO2)=0.002~0.025。
Li2O作为一种碱金属氧化物,对降低玻璃的高温粘度和促进熔化作用明显。该发明中引入部分ZrO2改善玻璃的综合性能,会略提高玻璃的粘度,若同时引入部分Li2O会相得益彰起到比较好的弥补作用。而且Li2O引入后会与K2O和Na2O形成“混合碱效应”是碱金属粒子不易被酸碱侵蚀,为保护玻璃骨架结构完整有一定作用,但由于其价格昂贵,引入量不易过多,在氧化锆使用量较小时可以不引入。本发明中的Li2O限定如下,在以上对K2O和Na2O限定的基础上,少量的Li2O取代部分K2O和Na2O,限定为Li2O+K2O+Na2O≤1.0%;,由于引入Li2O对原料成本影响很大,一般其引入量不大于0.35%。
铁在玻璃中的存在对玻璃的颜色和玻璃热传递效率影响较大,特别是与钛同时存在时希望铁尽可能的低,但由于部分铁石矿石原料不可避免的引入的,本发明中玻璃中Fe2O3限定为≤0.5%。
B2O3和F是玻璃工业中的助熔成份,都能显著加快玻璃配合料的反应速度,由于F易于挥发且对环境危害大,对设备腐蚀严重,本发明专利中完全限制了其使用;而B2O3的存在会明显影响玻璃的耐酸性能,因此本发明玻璃组成中不含B2O3,将对环境的危害降低到最小。
本发明中不含B2O3 和F2,目的是获得一种性能优良、环境友好的耐酸性玻璃纤维。本发明中不使用ZnO,而是采用ZrO2来改善玻璃的耐化学腐蚀性能,实际应用中其对玻璃性能的改进比ZnO更有价值,且其成本明显低于ZnO。而且由于同时调整了其他元素的使用比例,根据引入ZrO2的量不同,对TiO2和Li2O的用量进行了优化从而确保了从熔制到纤维成型的生产过程并不困难,成本经济易于推广应用。
本发明的玻璃纤维由于完全不含硼和氟,并且加入了氧化锆,使玻璃纤维的使用温度有明显的提高,具有更好的耐高温性能。
本发明玻璃组合物的纤维化性能包括:纤维化温度、液相线温度和△T。纤维化温度定义为玻璃液的粘度为1000泊时的温度;降低纤维化温度,能够增长作业附件的使用寿命,易于拉丝成型,降低生产难度,延长附件的使用寿命大大降低生产成本。液相线温度定义为玻璃液态与之基体晶体相之间平衡的最高温度,低于该温度时易于形成晶体,使纤维成型中断。另一纤维化性能是△T,定义为纤维化温度和液相线温度之差,较大的△T有利于纤维成型,降低了对工艺设施的控制要求,易于控制,可以有效降低生产难度。
由于本发明所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维具有上述优异性能,适合于使用现有E玻璃纤维生产装置与工艺流程生产耐化学腐蚀的玻璃纤维,无需增加限定生产装置和变更生产流程。
附图说明
图1为是基于本发明所述技术方案的具体实例组成表。
图2为图1所示各实施例的设计组分配料在实验室试生产的玻璃纤维的组成及性能测试结果表。备注:①纤维耐酸性:96℃,10%硫酸溶液中,水浴酸煮96小时后的重量保留率。 ②拉伸强度和拉伸模量按照ASTM D2343标准测得。
具体实施方式
以下根据实施例对本发明进行详细说明。
表1中示出的玻璃组成是基于本发明所述技术方案的具体实例组成。按表1所示的玻璃参数约定比例配制成批料,装入铂金坩埚内,置于电炉内,在1420-1480℃的条件下熔制成玻璃,保温澄清2小时形成最终玻璃。通过对熔化过程观察及最终玻璃的粘度、软化点、析晶温度的测试进行评估其成型的情况。
所采用的原料都是玻璃纤维生产中常用的矿物原料,只有部分的MgO、TiO2和Na2O是由化工原料引入。引入SiO2 、Al2O3 、CaO的主要矿物原料分别为石英砂、叶腊石或高岭土、生石灰。Li2O、ZrO2也是由矿物原料引入的,实验所用原料的选择方案,符合玻纤生产的实际生产条件,具有比较强的可比性。
此种耐化学侵蚀的玻璃纤维配方在高温环境下比较E玻璃纤维具有更高的耐高温性,更高的弹性模量。此配方生产的玻璃纤维广泛应用于化工管道、储罐、输油输水管道、天然气管道、风电叶片等。
以下为采用如上实施例的设计组分配料在实验室试生产的玻璃纤维的组成及性能测试结果:
在实验室采用玻璃纤维生产常用的矿物原料用电加热炉熔制玻璃。通过比较不同熔化时间和熔化温度可以观察每个玻璃配方的熔制和澄清的难易程度,所熔制的碎玻璃在坩埚中进行拉丝实验,通过调整温度获得最佳的玻璃纤维拉丝状态。对所获得玻璃纤维进行耐酸性能、弹性模量和拉伸强度的检测。玻璃成分及检测结果如下表。
采用玻璃纤维在酸液中的失重法检测玻璃的耐酸性可以表明不同纤维的耐酸侵蚀性的比较趋势。一系列的测试表明本发明的玻璃纤维的耐酸侵蚀性比E玻璃有大幅度提高,提高70%以上,与ECR玻璃纤维的耐酸性基本一致,可以完全替代ECR纤维在耐酸领域的应用;同时其拉伸强度和拉伸模量均比E玻璃有明显提高,分别提高14%和6.5%以上,与ECR玻璃纤维相比拉伸强度和拉伸模量也有一定程度的提高,而其生产成本与E相当,远远低于ECR玻璃纤维的。因此本发明的玻璃纤维适宜在环境复杂的条件下推广使用且成本大大降低,适宜在通常工程设计中推广采用,可以明显提高相应玻璃钢制品的使用寿命。
Claims (15)
1.一种耐化学腐蚀的玻璃纤维,其组成以SiO2 、Al2O3 、CaO三元系统为主,其特征是在所述三元体系组成基础上,引进和/或增加MgO 、ZrO2和TiO2组分;同时不使用含F、B和Zn的原料组分;其中SiO2 、Al2O3 、CaO三种主量组分在玻璃纤维中所占质量份数为93.5~97.5%;其余次量组分,包括MgO 、ZrO2、TiO2、Fe2O3、Na2O、K2O、Li2O以及不可避免的杂质,在玻璃纤维中所占质量份数之和为2.5~6.5%1。
2.如权利要求1所述的耐化学腐蚀玻璃纤维,其特征是所述三元系统中,SiO2 :Al2O3 :RO(CaO+MgO)的质量比例为(9~10): 2:4,各组分的绝对用量允许有不大于4%的波动。
3.如权利要求1所述的耐化学腐蚀玻璃纤维,其特征在于所述组分的质量比例应符合以下相互关系:
MgO/(CaO+MgO)=0.05~0.12;
( K2O+Na2O)/ (CaO+MgO+ K2O+Na2O)=0.015~0.05;
Li2O+K2O+Na2O≤1.0%;
ZrO2/( SiO2 +ZrO2)=0.005~0.035;
TiO2/( SiO2 +ZrO2+ TiO2)=0.002~0.025;
Li2O/ ZrO2=0~0. 5。
4.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是所述玻璃组成中完
全不特意使用硼化物和氟化物;玻璃纤维中完全不含B;作为其他天然矿物的杂
质不可避免的带入的F含量不超过0.005%。
5.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是所述玻璃组成中,
引入的Fe2O3的含量不超过总量的0.5%;Fe2O3、SrO、SO3、BaO、P2O5的总量不超过1%。
6.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是所述玻璃组成如下:
SiO2 58.0~61.0%; Al2O3 12.5~13.55%;
CaO 21.5~23.8%; MgO 1.5~3.5%;
ZrO2 0.3~2.0%; TiO2 0.1~0.9%;
Na2O+K2O 0.4~1.0%; Li2O 0~0.35%;
Fe2O3 0~0.5%。
7.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 61.0%;Al2O3 12.5%;CaO 23.68%;MgO 1.5%;ZrO2 0.3%;TiO2 0.1%;Na2O+K2O 0.72%;Fe2O3 0.18%。
8.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 59.1%;Al2O3 13.3%;CaO 21.5%;MgO 3.5%;ZrO2 0.5%;TiO2 0.9%;Na2O+K2O 0.55%;Li2O 0.15%;Fe2O3 0.5%。
9.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 59.8%;Al2O3 13.25%;CaO 22.3%;MgO 2.58%;ZrO2 0.73%;TiO2 0.4%;Na2O+K2O 0.65%;Li2O 0.18%;Fe2O3 0.1%。
10.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 59.0%;Al2O3 13.15%;CaO 23.0%;MgO 2.45%;ZrO2 0.88%;TiO2 0.45%;Na2O+K2O 0.71%;Li2O 0.1%;Fe2O3 0.26%。
11.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 58.8%;Al2O3 13.35%;CaO 22.95%;MgO 2.0%;ZrO2 1.5%;TiO2 0.4%;Na2O+K2O 0.7%;Li2O 0.2%。
12.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 58.0%;Al2O3 13.55%;CaO 23.0%;MgO 2.3%;ZrO2 1.1%;TiO2 0.65%;Na2O+K2O 0.7%;Li2O 0.3%;Fe2O3 0.4%。
13.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维,其特征是玻璃组成如下:
SiO2 58.2%;Al2O3 13.1%;CaO 23.8%;MgO 1.5%;ZrO2 2.0%;TiO2 0.39%;Na2O+K2O 0.4%;Li2O 0.35%;Fe2O3 0.25%。
14.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维的制备方法,其特征是适
合于使用现有E玻璃纤维生产装置与工艺流程生产耐化学腐蚀的玻璃纤维。
15.如权利要求1所述的耐化学腐蚀性玻璃纤维的制备方法,其特征是拉
丝纤维化温度(玻璃粘度为1000泊时)不高于1280℃;纤维化温度与析晶上限
温度之差△T不低于 80℃。
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Inventor after: Tang Zhiyao Inventor after: Li Yongyan Inventor after: Xu Yanchao Inventor before: Tang Zhiyao Inventor before: Xu Yanchao Inventor before: Li Yongyan |
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COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: TANG ZHIYAO XU YANCHAO LI YONGYAN TO: TANG ZHIYAO LI YONGYAN XU YANCHAO |
|
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110511 |