CN107056076A - 一种玻璃纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无机非金属材料技术领域，尤其涉及一种玻璃纤维。本发明提供的玻璃纤维包括以下组分：SiO2 52～59wt％；Al2O3 13～18wt％；CaO12～19.9wt％；MgO 0.5～9wt％；B2O3 0.1～4wt％；TiO2 0.1～1.2wt％；Fe2O30.1～0.8wt％；Na2O与K2O的总含量0.1～0.8wt％。本发明通过精确控制玻璃中各组分的配比关系，既保证了玻璃纤维具有良好成型性能，又取消了F2的引入，并降低B2O3的引入，从而大大降低矿物原料成本。实验结果表明，本发明玻璃纤维的成型温度不超过1210℃，析晶上限温度低于1100℃。

Description

一种玻璃纤维
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，尤其涉及一种玻璃纤维。
背景技术
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，它具有高比强度、高比模量、电绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好等诸多优点，是目前树脂基复合材料中应用最广泛的增强基材，使用比例超过了90％。
玻璃纤维的主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等，根据玻璃中碱含量的多少，可分为无碱玻璃纤维(氧化钠0％～2％，属铝硼硅酸盐玻璃)、中碱玻璃纤维(氧化钠8％～12％,属含硼或不含硼的钠钙硅酸盐玻璃)和高碱玻璃纤维(氧化钠13％以上，属钠钙硅酸盐玻璃)，其中应用最广泛是无碱玻璃纤维，亦称为E-玻璃纤维。
普通E-玻璃纤维中一般添加有6wt％左右的B2O3和0.5wt％左右的F2，这不但增加了原材料成本，而且F2对环境还存在一定的污染，但如果降低玻璃纤维中的硼、氟含量又会导致玻璃纤维的成型性能变差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种玻璃纤维，本发明提供的玻璃纤维在较低硼添加量和不添加氟的情况下依然具有良好的成型性能。
本发明提供了一种玻璃纤维，包括以下组分：
优选的，包括54～58wt％的SiO2。
优选的，包括13～16wt％的Al2O3。
优选的，包括15～19.9wt％的CaO。
优选的，包括3～8wt％的MgO。
优选的，包括1～3wt％的B2O3。
优选的，包括0.4～0.8wt％的TiO2。
优选的，包括0.2～0.6wt％的Fe2O3。
优选的，所述Na2O与K2O的总含量为0.4～0.8wt％。
优选的，还包括总量不超过2wt％的ZrO2和/或ZnO。
与现有技术相比，本发明提供了一种玻璃纤维。本发明提供的玻璃纤维包括以下组分：SiO2 52～59wt％；Al2O3 13～18wt％；CaO 12～19.9wt％；MgO 0.5～9wt％；B2O3 0.1～4wt％；TiO2 0.1～1.2wt％；Fe2O3 0.1～0.8wt％；Na2O与K2O的总含量0.1～0.8wt％。本发明通过精确控制玻璃中各组分的配比关系，既保证了玻璃纤维具有良好成型性能，又取消了F2的引入，并降低B2O3的引入，从而大大降低矿物原料成本。本发明玻璃纤维配方中还可以根据需要加入总量不超过2wt％的Li2O和/或ZnO，这些元素的引进有助于进一步改善玻璃的熔化效果和玻璃质量。实验结果表明，本发明玻璃纤维的成型温度不超过1210℃，析晶上限温度低于1100℃。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种玻璃纤维，包括以下组分：
本发明提供的玻璃纤维包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Na2O和K2O。其中，二氧化硅(SiO2)是形成玻璃网络的主要氧化物之一，它主要起提高玻璃的机械性能、化学稳定性和热稳定性的作用。本发明SiO2含量为52～59wt％，优选为54～58wt％，具体可为52wt％、53.2wt％、55.4wt％、56.6wt％、57.8wt％或59wt％。
在本发明中，氧化铝(Al2O3)也是形成玻璃网络的主要氧化物之一，它具有降低玻璃析晶倾向、改善玻璃网络结构的作用。本发明Al2O3含量为13～18wt％，优选为13～16wt％，具体可为13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％或18wt％。
在本发明中，氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)都属于玻璃结构网络外体氧化物，具有降低玻璃高温粘度、改善玻璃料性的作用，同时合适的含量和比例还有助于提高玻璃网络结构的稳定性。本发明所述CaO含量为12～19.9wt％，优选为15～19.9wt％，具体可为19.4wt％、19.5wt％、19.8wt％或19.9wt％；本发明所述MgO含量为0.5～9wt％，优选为3～8wt％，具体可为1wt％、2.2wt％、4wt％、5.8wt％、7.3wt％或9wt％。
在本发明中，氧化硼(B2O3)也是形成玻璃网络的主要氧化物之一，它主要是降低玻璃析晶倾向、改善玻璃网络结构的作用，降低玻璃熔制温度，改善玻璃电气性能。本发明B2O3含量为0.1～4wt％，优选为1～3wt％，具体可为0.1wt％、0.5wt％、1.6wt％、2.4wt％、3.2wt％或4wt％。
在本发明中，二氧化钛(TiO2)的添加有助于改善玻璃高温流动性和析晶倾向，提高玻璃纤维拉伸模量和耐腐蚀性能。本发明TiO2的含量为0.1～1.2wt％，优选为0.4～0.8wt％，具体可为0.7wt％。
在本发明中，氧化铁(Fe2O3)有利于池窑热量传递。本发明氧化铁含量为0.1～0.8wt％，优选为0.2～0.6wt％，具体可为0.55wt％。
在本发明中，Na2O和K2O添加到本发明玻璃组合物中，它们有助于降低玻璃粘度，改善玻璃析晶倾向。本发明中Na2O与K2O的总含量为0.1～0.8％，优选为0.4～0.8％，具体可为0.75wt％。
按照本发明，作为优选方案，在不影响玻璃纤维成型性能的前提下，本发明玻璃纤维组合物还可以含有总量不超过2wt％的ZrO2和/或ZnO，它们的加入可以进一步改善玻璃的熔化效果和玻璃质量。在本发明提供的一个实施例中，ZrO2含量优选为0.1～1.5wt％，具体可为0.5wt％；ZnO含量优选为0.05～1.5wt％，具体可为0.1wt％或0.5wt％。
本发明对所述玻璃纤维的制备方法没有特别的限制，优选为池窑法生产，具体可以按照下述方法制备：
将各种原料混合均匀后投入池窑，经熔化、澄清、均化后，得到玻璃液；
将所述玻璃液经冷却、流出和拉丝处理后得到玻璃纤维。
本发明首先将各种原料在混料罐中混合，混合均匀后，将其输送至池窑料仓；然后池窑料仓将混合料投入池窑，进行熔化、澄清和均化，得到玻璃液；所述熔化的温度优选为1250～1450℃；
将所述玻璃液冷却，经铂金漏板流出，在拉丝机的牵引下，拉丝成直径为玻璃丝；其中，优选冷却至1250～1300℃；所述玻璃丝直径优选为3～25μm；
将所述玻璃丝经过喷雾冷却、浸润剂涂覆得到玻璃纤维。
本发明通过精确控制玻璃中各组分的配比关系，既保证了玻璃纤维具有良好成型性能，又取消了F2的引入，并降低B2O3的引入，从而大大降低矿物原料成本。本发明玻璃纤维配方中还可以根据需要加入总量不超过2wt％的Li2O和/或ZnO，这些元素的引进有助于进一步改善玻璃的熔化效果和玻璃质量。实验结果表明，本发明玻璃纤维的成型温度不超过1210℃，析晶上限温度低于1100℃。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的玻璃纤维进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1～6
按照表1所示玻璃纤维成分选择玻璃原料，并计算各原料用量：
表1实施例玻璃纤维配方表
组成 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
SiO2 52 53.2 55.4 56.6 57.8
Al2O3 13 14 15 16 17
B2O3 4 3.2 2.4 1.6 0.5
CaO 19.5 19.8 19.4 19.8 19.9
MgO 9 7.3 5.8 4 2.2
TiO2 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
Na2O+K2O 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
Fe2O3 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55
ZrO2 0.5
ZnO 0.5 0.5 0.1
然后按比例称量所需原料，全部输送至混料罐，混合均匀后，将混合料输送至池窑料仓；
将池窑料仓中的混合料投入池窑，在池窑中，混合料经1300℃以上的高温逐渐熔化成玻璃液，经澄清、均化后，稳定而高品质的玻璃液进入拉丝作业通道；
将拉丝作业通道中的玻璃液冷却至合适温度后，经铂金漏板流出，被拉丝机快速牵引成直径3～25μm的玻璃丝；
将所述玻璃丝经过喷雾冷却、浸润剂涂覆得到玻璃纤维。
对比例1～2
按照表2所示玻璃纤维成分选择玻璃原料，并计算各原料用量：
表2对比例玻璃纤维配方表
组成 对比例1 对比例2
SiO2 56 54
Al2O3 15 14.3
B2O3 3 6.75
CaO 21.5 23
MgO 2.5 0.5
TiO2 0.85 0.35
Na2O+K2O 0.8 0.75
Fe2O3 0.35 0.35
ZrO2
ZnO
然后按比例称量所需原料，全部输送至混料罐，混合均匀后，将混合料输送至池窑料仓；
将池窑料仓中的混合料投入池窑，在池窑中，混合料经1300℃以上的高温逐渐熔化成玻璃液，经澄清、均化后，稳定而高品质的玻璃液进入拉丝作业通道；
将拉丝作业通道中的玻璃液冷却至合适温度后，经铂金漏板流出，被拉丝机快速牵引成直径3～25μm的玻璃丝；
将所述玻璃丝经过喷雾冷却、浸润剂涂覆得到玻璃纤维。
实施例7
对上述玻璃纤维进行性能测试，结果参见表3，表3为本发明实施例及比较例提供的玻璃纤维的配方及性能。其中，Tlogη＝3为纤维成型温度，采用BROOKFIELD高温粘度仪来检测；T液为玻璃析晶温度上限，采用Orton Model梯度炉来测定；ΔT为纤维成型温度与玻璃析晶温度上限的差值。
表3实施例及对比例提供的玻璃纤维性能数据表
通过表3可以看出，相比于对比例，本发明实施例提供的玻璃纤维成型性能更好，成型温度不超过1210℃，析晶上限温度低于1100℃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种玻璃纤维，包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括54～58wt％的SiO2。
3.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括13～16wt％的Al2O3。
4.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括15～19.9wt％的CaO。
5.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括3～8wt％的MgO。
6.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括1～3wt％的B2O3。
7.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括0.4～0.8wt％的TiO2。
8.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，包括0.2～0.6wt％的Fe2O3。
9.根据权利要求1所述的玻璃纤维，其特征在于，所述Na2O与K2O的总含量为0.4～0.8wt％。
10.根据权利要求1～9任一项所述的玻璃纤维，其特征在于，还包括总量不超过2wt％的ZrO2和/或ZnO。
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