CN111572132B - 一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃 - Google Patents

一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃，其特征在于，用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。

Description

一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃
技术领域
本发明是关于层状玻璃制品技术领域，特别是关于一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃。
背景技术
现代化学实验室一般都需要大量的玻璃器皿。为了保证实验安全，就需要一种强度较高的玻璃器皿。
已授权专利CN108162561B公开了一种用于盛装酒精饮品的复合材料的制备方法，包括如下步骤：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；在第二玻璃基片两面均匀铺放碳纤维布；依次将第一玻璃基片、铺放有碳纤维布的第二玻璃基片以及第三玻璃基片叠放到一起，得到第一层合体；将第一层合体放入模具，并对第一层合体进行热压融合处理，得到第二层合体，其中，热压融合处理在氩气气氛中进行，热压融合处理分为第一热压融合处理阶段和第二热压融合处理阶段。该现有技术存在如下缺陷：该现有技术必须使用昂贵的碳纤维。例如目前东丽公司的碳纤维价格普遍在200元/公斤左右，碳纤维的价格已经远远高于玻璃基材的价格，这就导致该现有技术的生产成本较高，虽然通过购买其它品牌的碳纤维能够降低成本，但是通过这种方法控制成本效果有限，并且一味通过这种方式降低成本可能导致产品质量下降。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃，其能够克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃，其特征在于，用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：
提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；
提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；
依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；
将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。
在一优选的实施方式中，预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层、第四玻璃纤维层以及第三玻璃基片。
在一优选的实施方式中，热压融合处理在氩气气氛中进行，热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，第一热压融合处理阶段的温度为550-600℃，保温时间为0.5-1h，压力为15-25MPa，第二热压融合处理阶段的温度为700-750℃，保温时间为3-4h，压力25-30MPa，第三热压融合处理阶段的温度为910-930℃，保温时间为0.5-1h，压力25-30MPa。
在一优选的实施方式中，第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的8-10％，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3-4％，第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的8-10％，第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3-4％。
在一优选的实施方式中，第一玻璃基片的厚度比第二玻璃基片的厚度大10-20％，第二玻璃基片的厚度比第三玻璃基片的厚度大10-20％。
在一优选的实施方式中，第一薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的20-30％，第二薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的20-30％。
在一优选的实施方式中，在第一热压融合处理阶段中，升温速率为8-10℃/min。
在一优选的实施方式中，在完成第三热压融合处理阶段之后，降温速率为50-60℃/min。
与现有技术相比，本发明具有如下优点，如背景技术所述，现有技术已经存在多层复合玻璃材料，但是现有技术的材料价格太过于昂贵，如果是普通实验室大规模采购玻璃器皿往往无法选择这种价格昂贵的产品。针对现有技术的问题，本申请的发明人希望通过玻璃纤维替代碳纤维的方式来降低成本(因为玻璃纤维的价格一般在20元/公斤左右)，然而众所周知的是，玻璃纤维虽然价格便宜，但是强度显著低于碳纤维，如果简单的只是使用玻璃纤维替代碳纤维，这必然导致产品强度下降。为了克服玻璃纤维强度较低的问题，可以增加玻璃纤维的厚度，但是一旦玻璃纤维厚度提高，那么又必然导致玻璃纤维体积与玻璃基体体积比例的失调，一般玻璃基体体积占比过少，这又将导致产品硬度、刚度性能的缺失。为了既保证纤维强度、又保证玻璃制品刚度、硬度，发明人提出了通过提高玻璃纤维层数来提高纤维强度的方法，发明人进一步发现，如果仅仅是简单的增加纤维层数，那么其效果与增加纤维厚度类似，为了能够有效的提升纤维强度，发明人进一步研究了其它改进的增强方式，发明人发现通过在纤维中间增加薄玻璃层的方式能够有效的提升整体玻璃强度，虽然精确的微观机制尚不清楚，但是发明人估计这种现象可能是薄玻璃层促进了玻璃纤维层与其它玻璃基片层的融合，使得材料内部微观一致性增强导致的。此外，发明人发现，非对称的纤维层厚度分布更有利于产品性能的提升，此外，发明人发现，背景技术中的方法无法适应本申请的新结构，由此，发明人开发出了一种新的制备工艺方法以适应本申请的新结构的生产。
附图说明
图1是背景技术中的高强度玻璃的结构示意图。
图2是根据本发明一实施方式的玻璃结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。需要预先说明的是，由于各种实验室器皿对于玻璃厚度的要求不一致(某些器皿要求玻璃厚度很薄，有些器皿可能要求玻璃厚度达到1cm甚至更大，有些实验室还要求购买玻璃搅拌棒等等)，所以为了合理保护知识产权，本申请无法具体限定玻璃厚度，玻璃具体厚度需要根据客户要求进行调整。当然，本申请的方法一般适合于生产厚度比较厚的玻璃器皿，这样本申请的特性才能够得到充分发挥。本申请的方法对于玻璃成分并没有特殊要求，可以认为本申请使用的玻璃材料就是普通实验室玻璃器皿的常用玻璃材料。为了结果的比较，本申请实施例和对比例均采用参考文献(《高强度高模量玻璃的结构与性能研究》，叶时迁，武汉理工大学学位论文)第三章第3.1节AS1标出的玻璃成分进行实验，该玻璃可以直接向武汉理工大学实验室购买。为了比较的准确性，本申请的实施例与对比例的成品样品厚度一致。本申请使用的玻璃纤维层是高硅氧玻璃纤维层，或者是耐热温度高于950摄氏度的任何玻璃纤维层。
图1是背景技术(CN108162561B)中的高强度玻璃的结构示意图。第一玻璃基片105、碳纤维层104、第二玻璃基片103、碳纤维层102以及第三玻璃基片101。图2是根据本发明一实施方式的玻璃结构示意图。本发明的预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片209、第一玻璃纤维层208、第一薄玻璃层207、第二玻璃纤维层206、第二玻璃基片205、第三玻璃纤维层204、第二薄玻璃层203、第四玻璃纤维层202以及第三玻璃基片201。本发明所称的“外”应当指的是玻璃材料面向外界的一侧，例如，如果是使用本发明的材料制作用于化学药品的玻璃储藏罐，那么储藏罐朝向空气的一侧是“外”侧。需要注意的是，图1和图2都仅仅是结构示意图，其并不体现厚度关系，此外，由于制备过程中玻璃避免发生熔融和流动，所以界面真实情况并不在图中体现，图中仅仅体现层叠关系，图2可以看作是本申请的玻璃层叠体预成品的结构示意图，本领域技术人员应当正确理解图示的含义以及本申请的技术方案。
实施例1
用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层、第四玻璃纤维层以及第三玻璃基片。热压融合处理在氩气气氛中进行，热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，第一热压融合处理阶段的温度为550℃，保温时间为0.5h，压力为15MPa，第二热压融合处理阶段的温度为700℃，保温时间为3h，压力25MPa，第三热压融合处理阶段的温度为910℃，保温时间为0.5h，压力25MPa。第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的8％(根据本领域技术人员的公知常识，制备玻璃制品的玻璃层、纤维层都应该是实质平整、实质具有均匀一致厚度的材料，并且多层应该具有实质一致的面积，因此体积比可以反映厚度关系)，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3％，第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的8％，第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3％。第一玻璃基片的厚度比第二玻璃基片的厚度大10％，第二玻璃基片的厚度比第三玻璃基片的厚度大10％。第一薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的20％，第二薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的20％。在第一热压融合处理阶段中，升温速率为8℃/min。在完成第三热压融合处理阶段之后，降温速率为50℃/min。
实施例2
用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层、第四玻璃纤维层以及第三玻璃基片。热压融合处理在氩气气氛中进行，热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，第一热压融合处理阶段的温度为600℃，保温时间为1h，压力为25MPa，第二热压融合处理阶段的温度为750℃，保温时间为4h，压力30MPa，第三热压融合处理阶段的温度为930℃，保温时间为1h，压力30MPa。第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的10％，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的4％，第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的10％，第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的4％。第一玻璃基片的厚度比第二玻璃基片的厚度大20％，第二玻璃基片的厚度比第三玻璃基片的厚度大20％。第一薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的30％，第二薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的30％。在第一热压融合处理阶段中，升温速率为10℃/min。在完成第三热压融合处理阶段之后，降温速率为60℃/min。
实施例3
用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层、第四玻璃纤维层以及第三玻璃基片。热压融合处理在氩气气氛中进行，热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，第一热压融合处理阶段的温度为580℃，保温时间为0.7h，压力为20MPa，第二热压融合处理阶段的温度为720℃，保温时间为3.5h，压力27MPa，第三热压融合处理阶段的温度为9202℃，保温时间为0.7h，压力27MPa。第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的9％，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3.5％，第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的9％，第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3.5％。第一玻璃基片的厚度比第二玻璃基片的厚度大15％，第二玻璃基片的厚度比第三玻璃基片的厚度大15％。第一薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的25％，第二薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的25％。在第一热压融合处理阶段中，升温速率为9℃/min。在完成第三热压融合处理阶段之后，降温速率为55℃/min。
对比例1
用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体。预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层、第四玻璃纤维层以及第三玻璃基片。热压融合处理工艺制程按照CN108162561B的实施例3介绍的工艺进行。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例2
用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层以及第二玻璃纤维层，其中，第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层以及第四玻璃纤维层；依次叠放第一玻璃基片、第一复合增强层材料、第二玻璃基片、第二复合增强层材料以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第四玻璃纤维层以及第三玻璃基片。第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的13％，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的5％，第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的13％，第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的5％。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例3
用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；依次叠放第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第二玻璃基片、第二玻璃纤维层以及第三玻璃基片，得到预成型层合体；将预成型层合体放入模具，并对预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，热压融合具有三个热压融合阶段。第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的20％，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的20％。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例4
热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，第一热压融合处理阶段的温度为750℃，保温时间为2h，压力为30MPa。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例5
热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，第三热压融合处理阶段的温度为890℃，保温时间为3h，压力35MPa。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例6
第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的7％，第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的7％，第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的7％，第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的7％。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例7
第一玻璃基片的厚度比第二玻璃基片的厚度大5％，第二玻璃基片的厚度比第三玻璃基片的厚度大5％。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例8
第一薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的40％，第二薄玻璃层的厚度是第一玻璃基片的厚度的40％。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对比例9
在第一热压融合处理阶段中，升温速率为15℃/min。其余未详细描述的步骤、参数参照本申请实施例3。
对本申请的实施例1-3以及对比例1-9进行抗折强度(MPa)和维氏硬度(MPa)测试，测试方法参见参考文献(《高强度高模量玻璃的结构与性能研究》，叶时迁，武汉理工大学学位论文)。测试结果见以下表。
表1
Figure BDA0002494941050000101
Figure BDA0002494941050000111
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (2)

1.一种用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃，其特征在于，
所述用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃是由如下方法制备的：
提供第一玻璃基片、第二玻璃基片以及第三玻璃基片；
提供第一复合增强层材料以及第二复合增强层材料，其中，所述第一复合增强层材料包括第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层以及第二玻璃纤维层，其中，所述第二复合增强层材料包括第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层以及第四玻璃纤维层；
依次叠放所述第一玻璃基片、所述第一复合增强层材料、第二玻璃基片、所述第二复合增强层材料以及所述第三玻璃基片，得到预成型层合体；
将所述预成型层合体放入模具，并对所述预成型层合体进行热压融合处理，得到成品层合体，其中，所述热压融合具有三个热压融合阶段，
所述预成型层合体由外至内依次包括第一玻璃基片、第一玻璃纤维层、第一薄玻璃层、第二玻璃纤维层、第二玻璃基片、第三玻璃纤维层、第二薄玻璃层、第四玻璃纤维层以及所述第三玻璃基片，
所述热压融合处理在氩气气氛中进行，所述热压融合处理具有第一热压融合处理阶段、第二热压融合处理阶段以及第三热压融合处理阶段，其中，所述第一热压融合处理阶段的温度为550-600℃，保温时间为0.5-1h，压力为15-25MPa，所述第二热压融合处理阶段的温度为700-750℃，保温时间为3-4h，压力25-30MPa，所述第三热压融合处理阶段的温度为910-930℃，保温时间为0.5-1h，压力25-30MPa，
所述第一玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的8-10％，所述第二玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3-4％，所述第三玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的8-10％，所述第四玻璃纤维层的体积占成品高强度玻璃总体积的3-4％，
所述第一玻璃基片的厚度比所述第二玻璃基片的厚度大10-20％，所述第二玻璃基片的厚度比所述第三玻璃基片的厚度大10-20％，
所述第一薄玻璃层的厚度是所述第一玻璃基片的厚度的20-30％，所述第二薄玻璃层的厚度是所述第一玻璃基片的厚度的20-30％，
在所述第一热压融合处理阶段中，升温速率为8-10℃/min。
2.如权利要求1所述的用于实验室玻璃仪器的高强度玻璃，其特征在于，
在完成所述第三热压融合处理阶段之后，降温速率为50-60℃/min。
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