CN103601371A

CN103601371A - 一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺

Info

Publication number: CN103601371A
Application number: CN201310369378.4A
Authority: CN
Inventors: 姜鹄; 梁中全; 彭斌; 许瑞存; 陈剑; 刘锡辉
Original assignee: Jiangsu Jiuding New Material Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jiuding Special Fiber Co.,Ltd.; Jiangsu Zhengwei New Material Co ltd
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103601371B

Abstract

一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，包括以下步骤：原料配制、熔制、拉丝、络纱、浸胶、烘干、检测，所述高模量无碱玻璃纤维的化学成分重量百分比为SiO₂：57-60%；TiO₂：0.5-1.5%；Al₂O₃：12-14%；Fe₂O₃：0.2-0.5%；CaO：22-23%；LiO₂：0.1-0.5%；MgO：2.5-3%；Na₂O：0.3-0.5%；K₂O：0.1-0.5%；CeO₂：0.2-0.5%，配比时满足各种成分重量百分比之和为100%；所述浸胶使用下述重量份组分配制的浸渍胶：10份618环氧树脂与1份三乙烯四胺固化剂以及2-4份丙酮稀释剂。通过本发明工艺制备的高模量无碱玻璃纤维的弹性模量高，制品刚度强，耐酸和绝缘性能好。

Description

一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺

技术领域

本发明涉及一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，特别是涉及风机叶片用玻璃纤维的生产工艺。

背景技术

国内外的E玻璃、E-CR玻璃的弹性模量分别为72Gpa、80Gpa。玻璃纤维的弹性模量超过86 Gpa的不多。与普通无碱玻璃纤维相比，高强度高模量玻璃纤维具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、抗疲劳性好、耐高温等优良性能，可广泛应用于航天、航空、兵器等对复合材料性能要求苛刻的领域，如生产风机叶片等大构件复合材料。但同时，高强度高模量玻璃纤维的生产难度更大，生产成本更高，限制了其大规模的应用。

玻璃纤维的弹性模量与玻璃组成、结构密切相关，也就是说，玻璃的成分组成决定了该玻璃纤维的弹性模量，同时，浸胶工艺的好坏影响复合材料界面的形成以及材料的力学性能。现有的玻璃纤维浸渍胶存在脆性大，韧性差，影响拉力，容易氧化变色等问题，仅适用于制备弹性模量较低的玻璃纤维。

发明内容

本发明的主要任务在于提供一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺。

本发明的一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，包括以下步骤：原料配制、熔制、拉丝、络纱、浸胶、烘干、检测，所述高模量无碱玻璃纤维的化学成分重量百分比为SiO₂：57-60%；TiO₂：0.5-1.5%；Al₂O₃：12-14%；Fe₂O₃：0.2-0.5%；CaO：22-23%；LiO₂：0.1-0.5%；MgO：2.5-3%；Na₂O：0.3-0.5%；K₂O：0.1-0.5%；CeO₂：0.2-0.5%，配比时满足各成分重量百分比之和为100%；所述浸胶工艺使用下述组分配制的浸渍胶：10份618环氧树脂、1份三乙烯四胺固化剂以及2-4份丙酮稀释剂，均为重量份。

进一步地，所述高模量无碱玻璃纤维成分中还可以含有重量百分比为0.5%的WO₃。

进一步地，所述原料配制步骤选取的原料为石英砂、叶腊石、石灰石、白云石、碳酸锂和氧化铈

进一步地，所述熔制步骤采用电熔窑炉或者火焰窑炉进行熔制；熔制温度为1500℃-1550℃，熔制时间为12h-16h。

进一步地，所述拉丝步骤的温度（即拉丝漏板温度）是1235℃-1250℃。

进一步地，HME玻璃析出晶体的上限温度为1170℃-1185℃。所以，高温液态HME玻璃经多孔的漏板（1250℃）流出、并被高速牵引成（HME）玻璃纤维的时候，一定会在漏板下方的丝根位置，存在HME玻璃析出晶体温度区（1170℃-1185℃）。因此，必须对纤维丝根施以强制冷却措施（如吹风冷却、贴冷却水管等），让高温液态的纤维快速越过玻璃析晶温度区到室温，才可以实现连续HME玻璃纤维拉丝作业。

进一步的，所述浸胶工艺是将玻璃纤维纱线浸润于上述浸渍胶中后取出缠绕于试样架上，放入烘箱中于100℃烘2小时再升至140℃烘4小时，冷却至室温，从试样架上取下浸胶纱测试拉伸强度和弹性模量。

所述高模量玻璃纤维密度为2.69g/cm³-2.7g/cm³，所述纤维玻璃的弹性模量≥86Gpa。

本发明的优点在于：使用本发明的浸渍胶可以提高涂覆层的均匀程度，保证纤维平齐断裂，从而提高拉伸载荷。通过上述工艺制备的高模量无碱玻璃纤维的弹性模量高，制品刚度大，耐酸和绝缘性能好。

具体实施方式

实施例1：

高模量无碱玻璃纤维的组分及重量比例为：SiO₂：59%；TiO₂：0.5%； Al₂O₃：13%；Fe₂O₃：0.3%；CaO：22.3%；LiO₂：0.2%；MgO：3%；WO₃：0.5%；CeO₂：0.5%；Na₂O：0.5 %；K₂O：0.2%。

上述组分的高模量无碱玻璃纤维是用以下工艺制得的，具体如下：

原料配制：取石英砂100g、叶腊石650g、石灰石340g、白云石130g、碳酸锂5.2g、氧化铈5.2g，将上述原料混合均匀，均匀性≥95%，该配方与上述的成分和含量相一致。虽然原料的成分复杂，但对所用原料的主要成分和杂质含量都做了相应的规定，通过上述料单能制备出上述组分的玻璃。

熔制：将配好的原料加至池窑，在1500℃下进行熔化，成为液态玻璃；经过一段高温澄清区将高温玻璃液中反应所产生的气泡澄清排除掉。

拉丝：澄清好的高温液态玻璃流经多孔漏板（1250℃）流出，并被高速牵引成（HME)玻璃纤维。纤维在漏板下方被牵引形成（HME）玻璃纤维的时候，必须对纤维丝根施以强制冷却措施，让高温液态的纤维快速越过玻璃析晶温度区到室温形成玻璃纤维。

HME玻璃析出晶体的温度为1180℃，HME玻璃的密度为2.69g/cm³。

拉丝结束后，进行络纱、浸胶、制作浸胶束纱、烘干、检测纤维强度及模量，所述浸胶工艺采用浸渍胶的组分及重量份为：10份618环氧树脂、1份三乙烯四胺固化剂以及2份丙酮稀释剂。将玻璃纤维纱线浸润于上述浸渍胶中后取出缠绕于试样架上，放入烘箱中于100℃烘2小时再升至140℃烘4小时，冷却至室温，从试样架上取下浸胶纱测试拉伸强度和弹性模量。

实施例1与现有技术的测试结果对比：

由实施例1的组分和工艺制得的高模量无碱玻璃纤维中试结果与EC-R玻璃和美国专利号为4026715的专利相比，数据如下：

Figure 2013103693784100002DEST_PATH_IMAGE001

在本发明中，SiO₂选择59%，是玻璃的主要组成成分，构成玻璃的网络结构；CaO 在22-25%之间能降低SiO₂玻璃的高温粘度、使玻璃的料性变短以便于拉丝；MgO 与CaO共同调整玻璃的料性；13%的Al₂O₃提高纤维玻璃的耐水性能，降低玻璃的析晶能力；0.5%的TiO₂提高弹性模量、提高玻璃网络结构的致密性；0.3%的Fe₂O₃引入有助于拉丝成型工艺；0.5%的CeO₂作为高温澄清剂，专门添加0.5%改性剂WO₃，用以提高弹性模量。

另外，使用本发明的浸渍胶可以实现胶液层均匀，观察横切面纤维平齐断裂，从而提高弹性模量。

实施例2：

工艺与实施例1相同，组分及其重量百分比为：SiO₂：59.5%；TiO₂：1.5%；Al₂O₃：12.6% ；Fe₂O₃：0.2%；CaO：22.5% ；LiO₂：0.2%；MgO：2.8%；CeO₂：0.2%；Na₂O：0.35%；K₂O：0.15%。与此对应的材料配方如下：白云石：13.0g；石灰石：35.0g；叶腊石：63.0g；石英砂：12.0g；氧化钛：1.5g；碳酸锂：0.52g；氧化铈：0.2g。

浸胶工艺所用浸渍胶的组分及重量份为：10份618环氧树脂、1份三乙烯四胺固化剂以及3份丙酮稀释剂。

实施例2与现有技术的测试结果对比：

产品进行中试，并将中试后的数据结果与EC-R玻璃和美国专利号为4026715的专利相比，数据如下：

Figure 2013103693784100002DEST_PATH_IMAGE002

本实例中没有使用WO₃，目的是满足高模量玻璃纤维的弹性模量要求的基础上，尽可能降低成本。

实施例3：

工艺与实施例1相同，组分及其重量百分比为：SiO₂：60%；TiO₂：1.5%；Al₂O₃：12.6% ；Fe₂O₃：0.2%；CaO：21.7% ；LiO₂：0.2%；MgO：2.8%；CeO₂：0.5%；Na₂O：0.35%；K₂O：0.15%。与此对应的材料配方如下：白云石：12.6g；石灰石：32.0g；叶腊石：64.5g；石英砂：12.0g；氧化钛：1.3g；碳酸锂：0.5g；氧化铈：0.52g。

浸胶工艺所用浸渍胶的组分及重量份为：10份618环氧树脂、1份三乙烯四胺固化剂以及4份丙酮稀释剂。

实施例3与现有技术的测试结果对比：

产品进行中试，并将中试后的数据结果与EC-R玻璃和美国一家专利号为： 4026715的专利相比，数据如下：

Figure 2013103693784100002DEST_PATH_IMAGE003

对上述的配方及成品进行实验结果的重现试验，数据均与第一批次的实验结果相吻合。以上结果证明，高模量无碱玻璃纤维(简称HME)的弹性模量达到了86Gpa以上。从而可以满足风机叶片等大型复合材料构件对玻璃纤维弹性模量要求高、刚度要求高以及耐酸性、绝缘性的要求。

Claims

1.一种高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，包括以下步骤：原料配制、熔制、拉丝、络纱、浸胶、烘干、检测，其特征在于：所述高模量无碱玻璃纤维的化学成分重量百分比为SiO₂：57-60%；TiO₂：0.5-1.5%；Al₂O₃：12-14%；Fe₂O₃：0.2-0.5%；CaO：22-23%；LiO₂：0.1-0.5%；MgO：2.5-3%；Na₂O：0.3-0.5%；K₂O：0.1-0.5%；CeO₂：0.2-0.5%，配比时满足各成分重量百分比之和为100%；所述浸胶工艺使用下述组分配制的浸渍胶：10份618环氧树脂、1份三乙烯四胺固化剂以及2-4份丙酮稀释剂，均为重量份。

2.根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述玻璃纤维成分中还含有重量百分比为0.5%的WO₃。

3.根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述原料配制步骤选取的原料为石英砂、叶腊石、石灰石、白云石、碳酸锂和氧化铈。

4. 根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述熔制步骤采用电熔窑炉或者火焰窑炉进行熔制；熔制温度为1500℃-1550℃，熔制时间为12h-16h。

5.根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述拉丝步骤的温度为1235℃-1250℃。

6.根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述拉丝步骤中对纤维丝根施以强制冷却措施，让高温液态的纤维快速冷却越过玻璃析晶温度区到室温形成玻璃纤维，玻璃析出晶体的上限温度为1170℃-1185℃。

7.根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述浸胶步骤为将玻璃纤维纱线浸润于浸渍胶中后取出缠绕于试样架上，放入烘箱中于100℃烘2小时，再升至140℃烘4小时，冷却至室温。

8. 根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述玻璃纤维密度为2.69g/cm³-2.7g/cm³。

9. 根据权利要求1所述高模量无碱玻璃纤维的生产工艺，其特征在于：所述纤维玻璃的弹性模量≥86Gpa。