CN109133654A - 一种高性能珍珠岩纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高性能珍珠岩纤维及其制备方法，包含组份和重量含量如下：SiO2 55.2‑64.5％、Al2O3 4.5‑8.5％、Na2O 12.5‑16.2％、CaO 10.8‑15.8％、K2O 1.5‑5.5％、ZrO 0.30‑0.50％、MgO 0.15‑0.7％、Fe2O3 0.18‑0.68％，所述珍珠岩纤维的主要成分来源于珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱。本发明的高性能珍珠岩纤维中不含硼和氟等破坏玻璃结构的组分，达到了熔制拉丝和纤维的理化性能的平衡，尤其是耐酸性能较其他玻璃纤维有较大幅度的提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备高性能珍珠岩纤维及其制备方法，特别是一种适用于池窑法、坩埚窑法生产，可用于增强材料，纺织材料，针刺材料，过滤材料的高性能珍珠岩纤维，属于特种玻璃纤维领域。
背景技术
玻璃纤维属于无机纤维材料，具有耐温耐腐、高强低伸等优异的性能和较低的价格。大规模池窑法生产玻璃纤维的技术取得突破后，显著降低了玻璃纤维的生产成本，因此玻璃纤维的使用范围和使用量不断扩大，广泛应用在航空航天、汽车、建筑、电子、电气、化工、冶金、环境保护、国防等行业。采用玻璃纤维增强有机高分子材料可制得性能优良的复合材料，也可用于增强无机材料(例如水泥)在道路、桥梁建设等领域获得应用。
目前应用较为广泛的是无碱玻纤和中碱玻纤，无碱玻纤属于铝硼硅酸盐玻纤，它的拉伸强度、电绝缘性能很好，因其玻璃成分中含有一定量的硼、氟，结构骨架松散，不够完整，耐酸侵蚀性能较差，由其制备的复合材料在酸性环境下容易被酸侵蚀而与树脂基体剥离，迅速失去强度。中碱玻纤属于钠钙硅酸盐成分，化学稳定性较好，因其含碱量高，不能作电绝缘材料，同时拉伸强度等物性指标相对较差。
发明内容
针对现有的无碱玻纤和中碱玻纤存在的问题，提供一种玻璃成分设计合理的珍珠岩纤维组合物。在保持无碱玻璃纤维高物理性能的基础上，具有中碱玻璃纤维的耐酸性、成本低等特点，同时易于实现池窑法大规模工业化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高性能珍珠岩纤维的制备方法，包括如下步骤：
(1)将混合物输送至窑炉内熔制成玻璃液；
(2)将玻璃液拉制成纤维，所述纤维的直径为3μm-17μm；
所述混合物的主要成分来源于珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱；所述纤维中包含的各组分及重量含量如下：SiO2：55.2-64.5％、Al2O3：4.5-8.5％、Na2O：12.5-16.2％、CaO：10.8-15.8％、K2O：1.5-5.5％、ZrO：0.30-0.50％、MgO：0.15-0.7％、Fe2O3：0.18-0.68％。
优选地，所述步骤(1)中输送设备为气力输送系统；所述窑炉内的熔制温度为1300-1500℃。
优选地，所述步骤(1)中的熔制方式为纯氧燃烧、全电熔或纯氧燃烧电助融。
优选地，所述步骤(2)中的拉制是指玻璃液通过拉丝漏板和拉丝机制成纤维。
优选地，所述步骤(2)中的拉制是指将玻璃液通过制球机制成玻璃球，再将玻璃球采用代铂炉在1200-1350℃下熔融，采用拉丝漏板，在1180-1230℃的漏板温度下拉制成纤维。
本发明的另一方面为一种珍珠岩纤维，包含的各组分及重量含量如下：SiO2：55.2-64.5％、Al2O3：4.5-8.5％、Na2O：12.5-17.5％、CaO：10.8-15.8％、K2O：1.5-5.5％、ZrO：0.30-0.50％、MgO：0.15-0.7％、Fe2O3：0.18-0.68％。
优选地，包含的各组分及重量含量如下：SiO2：57.5-61.5％、Al2O3：6.5-7.3％、Na2O：14.5-17.5％、CaO：13-15.5％、K2O：2.5-3.5％、ZrO：0.35-0.45％、MgO：0.2-0.6％、Fe2O3：0.28-0.48％。
优选地，下列各组分及重量含量为：Na2O：15.5-16.2％、CaO：13.5-14.5％、K2O：2.8-3.3％、ZrO：0.35-0.45％、MgO：0.38-0.48％、Fe2O3：0.32-0.42％。
优选地，包含的各组分及重量含量如下：SiO2：59.5％、Al2O3：6.9％、Na2O：15.6％、CaO：13.9％、K2O：2.93％、ZrO：0.38％、MgO：0.42％、Fe2O3：0.37％。
本发明所述珍珠岩纤维原料熔制玻璃，可采用纯氧燃烧、全电熔或纯氧燃烧电助融的方式进行窑炉熔制，形成均质玻璃溶液，大幅度降低了熔制成本。窑炉可采用具有耐高温、耐玻璃液侵蚀的耐火材料组成的熔窑进行，如致密锆砖，电熔莫来石砖等。本发明所述珍珠岩纤维原料制备玻璃纤维时，可采用耐火材料致密锆砖、刚玉砖、电熔铬锆刚玉砖、莫来石构造的代铂炉进行二步法拉丝生产，即先采用本发明所述原料融化制成玻璃球，再用玻璃球拉制珍珠岩纤维；或采用上述耐火材料构造的窑炉通路进行一步法拉丝生产。实施例未说明的技术均参照现有技术。
本发明通过精确调控SiO2、Al2O3、Na2O、CaO四种主组分的含量范围，优化珍珠岩纤维内部结构，保证珍珠岩纤维具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和成型性能，克服了在较低生产难度下获得高性能玻璃纤维的难题；同时通过原料适当引入适量的K2O、MgO、Fe2O3组分，进一步改善玻璃纤维的成型作业，降低成型作业难度，提高玻璃纤维的机械性能和耐腐蚀性能。本发明珍珠岩纤维成分中不含硼、氟及有害澄清剂，延长窑炉耐火材料使用寿命，实现了节能、环保、减排。同时还保证了所发明的玻璃纤维易于实现工业化生产(其成型温度不超过1230℃，析晶上限温度低于1130℃，拉丝成型作业温度区间大于70℃)。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：55.2％、Al2O3：8.5％、Na2O：13.3％、CaO：15.8％、K2O：5.5％、ZrO：0.32％、MgO：0.70％、Fe2O3：0.68％、其他0.02％。
实施例1的珍珠岩纤维的制备方法如下：
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1510℃采用纯氧燃烧的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。熔制好的玻璃液流动至拉丝通道和拉丝成型系统直接拉制成珍珠岩纤维，拉丝漏板温度为1210℃的下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为17μm±0.5μm。
实施例2
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：64.5％、Al2O3：5.5％、Na2O：14.3％、CaO：10.8％、K2O：3.0％、ZrO：0.50％、MgO：0.52％、Fe2O3：0.38％、其他0.50％。
实施例2的珍珠岩纤维的制备方法如下：
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1450℃采用纯氧燃烧电助融的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。熔制好的玻璃液流动至拉丝通道和拉丝成型系统直接拉制成珍珠岩纤维，拉丝漏板温度为1230℃的下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为11μm±0.5μm。
实施例3
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：60.5％、Al2O3：6.5％、Na2O：14.5％、CaO：13.0％、K2O：2.5％、ZrO：0.35％、MgO：0.4％、Fe2O3：0.25％、其他2.0％
实施例3的珍珠岩纤维的制备方法如下：
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1550℃采用纯氧燃烧的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。熔制好的玻璃液流动至拉丝通道和拉丝成型系统直接拉制成珍珠岩纤维，拉丝漏板温度为1180℃的下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为3μm±0.5μm。
实施例4
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：61.5％、Al2O3：6.0％、Na2O：12.5％、CaO：15.0％、K2O：3.5％、ZrO：0.45％、MgO：0.60％、Fe2O3：0.45％其他：0.0％。
实施例4的珍珠岩纤维的制备方法如下：
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1500℃采用纯氧燃烧的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。熔制好的玻璃液流动至拉丝通道和拉丝成型系统直接拉制成珍珠岩纤维，拉丝漏板温度为1200℃的下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为5μm±0.5μm。
实施例5
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：60.5％、Al2O3：6.8％、Na2O：15.5％、CaO：13.5％、K2O：2.15％、ZrO：0.35％、MgO：0.38％、Fe2O3：0.32％、其他0.50％。
实施例5的珍珠岩纤维的制备方法如下：
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1480℃采用全电熔的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。将玻璃液通过制球机制成玻璃球，再将玻璃球采用代铂炉在1350℃下熔融，采用拉丝漏板，在1180℃的漏板温度下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为13μm±0.5μm。
实施例6
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：57.3％、Al2O3：7.1％、Na2O：16.2％、CaO：14.0％、K2O：3.1％、ZrO：0.40％、MgO：0.15％、Fe2O3：0.30％、其他1.45％。
实施例6的珍珠岩纤维的制备方法如下：
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1510℃采用全电熔的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。将玻璃液通过制球机制成玻璃球，再将玻璃球采用代铂炉在1350℃下熔融，采用拉丝漏板，在1180℃的漏板温度下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为9μm±0.5μm。
实施例7
一种高性能珍珠岩纤维，其主要组分及其重量含量为：
SiO2：59.5％、Al2O3：6.9％、Na2O：15.6％、CaO：13.9％、K2O：2.93％、ZrO：0.38％、MgO：0.42％、Fe2O3：0.37％。
按照上述所列各配方的化学组成，采用珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱作为原料，通过检测和计算得出各种原料的配比需求量，再经过称量系统精确计量后，经由混合系统均匀混合制成配合料。所述配合料通过气力输送系统运送至窑炉窑前仓，采用自动加料机投料，在1500℃采用全电熔的窑炉熔制得到澄清、均化的玻璃液。将玻璃液通过制球机制成玻璃球，再将玻璃球采用代铂炉在1350℃下熔融，采用拉丝漏板，在1180℃的漏板温度下拉制成连续珍珠岩纤维，所述珍珠岩纤维的直径为6μm±0.5μm。
实施例1-7的产品性能如下：
通过前述实施例1-7的产品性能测试结果可以知道，本发明制备的高性能珍珠岩纤维具有非常优异的性能，譬如拉伸强度、断裂伸长率、热膨胀性等等，特别是实施例7的产品，在拉伸强度和断裂伸长率方面明显由于其他实施例1-6的产品，通常纤维直径越小越好，性能会越好，譬如实施例3的纤维直径为3μm，纤维直径越小成本会大大增加，本发明人惊奇地发现实施例7的6μm纤维性能明显优越，也大大降低了生产成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种高性能珍珠岩纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将混合物输送至窑炉内熔制成玻璃液；
(2)将玻璃液拉制成纤维，所述纤维的直径为3μm-17μm；
所述混合物的主要成分来源于珍珠岩、叶腊石、石英砂、方解石、钾长石、氧化钠、氧化钙、纯碱；所述纤维中包含的各组分及重量含量如下：SiO2：55.2-64.5％、Al2O3：4.5-8.5％、Na2O：12.5-16.2％、CaO：10.8-15.8％、K2O：1.5-5.5％、ZrO：0.30-0.50％、MgO：0.15-0.7％、Fe2O3：0.18-0.68％。
2.根据权利要求1所述的珍珠岩纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中输送设备为气力输送系统；所述窑炉内的熔制温度为1300-1500℃。
3.根据权利要求1所述的珍珠岩纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的熔制方式为纯氧燃烧、全电熔或纯氧燃烧电助融。
4.根据权利要求1所述的珍珠岩纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的拉制是指玻璃液通过拉丝漏板和拉丝机制成纤维。
5.根据权利要求1所述的珍珠岩纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的拉制是指将玻璃液通过制球机制成玻璃球，再将玻璃球采用代铂炉在1200-1350℃下熔融，采用拉丝漏板，在1180-1230℃的漏板温度下拉制成纤维。
6.根据权利要求1-5任一所述方法制备的高性能珍珠岩纤维，其特征在于，包含的各组分及重量含量如下：SiO2：55.2-64.5％、Al2O3：4.5-8.5％、Na2O：12.5-17.5％、CaO：10.8-15.8％、K2O：1.5-5.5％、ZrO：0.30-0.50％、MgO：0.15-0.7％、Fe2O3：0.18-0.68％。
7.根据权利要求6所述方法制备的珍珠岩纤维，其特征在于，包含的各组分及重量含量如下：SiO2：58.5-61.5％、Al2O3：6.5-7.3％、Na2O：14.5-17.5％、CaO：13-15.5％、K2O：2.5-3.5％、ZrO：0.35-0.45％、MgO：0.2-0.6％、Fe2O3：0.28-0.48％。
8.根据权利要求6所述方法制备的珍珠岩纤维，其特征在于，下列各组分及重量含量为：Na2O：15.5-16.2％、CaO：13.5-14.5％、K2O：2.8-3.3％、ZrO：0.35-0.45％、MgO：0.38-0.48％、Fe2O3：0.32-0.42％。
9.根据权利要求8所述方法制备的珍珠岩纤维，其特征在于，包含的各组分及重量含量如下：SiO2：59.5％、Al2O3：6.9％、Na2O：15.6％、CaO：13.9％、K2O：2.93％、ZrO：0.38％、MgO：0.42％、Fe2O3：0.37％。
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