CN112679086B

CN112679086B - 一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法

Info

Publication number: CN112679086B
Application number: CN202110269483.5A
Authority: CN
Inventors: 刘兴月; 杜照孔
Original assignee: Shandong Moziang New Material Technology Co ltd; Shandong Fiberglass Group Co Ltd
Current assignee: Shandong Moziang New Material Technology Co ltd; Shandong Fiberglass Group Co Ltd
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2041-03-12
Also published as: CN112679086A

Abstract

本发明涉及玻璃纤维生产技术领域，具体涉及一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法。该方法包括以下步骤：S1、原料的混合；S2、将步骤S1中的混合物加入熔炉中进行加热，加热后进行拉丝，制得玻璃纤维；S3、酸洗；S4、水洗；S5、热定型处理；S6、将步骤S5中得到的玻璃纤维经过上浆烘干装置进行涂胶和烘干。引入适量镧系稀土材料，镧系稀土氧化物不仅能降低玻璃的熔制温度和高温粘度，还能提高玻璃的力学性能等。

Description

一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法

技术领域

本发明涉及玻璃纤维生产技术领域，具体地说就是一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法。

背景技术

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能，使其成为理想的增强材料，因而，玻璃纤维已被广泛地应用于交通、运输、建筑、环保、石油、化工、电器、电子、机械、航空、航天、核能、兵器等领域。为了提高纱线的性能，通常选用高性能纤维制成的纺织物作为符合材料的增强结构，其中玻璃纤维纱线因具有该优点而得到更多的应用；工业上对玻璃纤维的要求也不断提高，现有技术还是难以使玻璃纤维同时具有较好的力学性能和成型性能。因此，我们通过改进玻璃纤维本身基础性能，研制出一种能保证较高基础性能同时又满足低成本的玻璃纤维新产品；中国专利文献公开了CN201510448174.9一种玻璃纤维纱线的自动涂层设备，虽然能够对玻璃纤维纱进行涂层，但操作较为复杂，并且涂层浸润效果一般，容易出现涂层包覆不均匀的问题，不能较好的提高玻璃纤维的性能。

发明内容

为解决上述如何提高玻璃纤维力学性能、提高玻璃纤维涂层包覆效果的问题，本发明提供了一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法包括以下步骤：

S1、将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁和镧系稀土材料搅拌均匀；

S2、将步骤S1中的混合物加入熔炉中进行加热，加热后进行拉丝，制得玻璃纤维；

S3、将步骤S2中制得的玻璃纤维进行酸洗；

S4、将步骤S3中酸洗的玻璃纤维进行水洗，当清洗水的pH值大于5时水洗完成；

S5、将步骤S4中水洗完成的玻璃纤维进行热定型处理；

S6、将步骤S5中得到的玻璃纤维经过上浆烘干装置进行涂胶和烘干，得到带有涂层的强化玻璃纤维。

作为优化，所述的步骤S1中各原料重量组分比例为SiO₂56~63%、Al₂O₃17~24%、CaO9~17%、MgO8~13%、镧系稀土材料0.1~2%。

作为优化，所述的S1中镧系稀土材料为镧系金属氧化物。

作为优化，所述的步骤S1中镧系稀土材料包括CeO₂0.05~1.0%和La₂O₃0.05~1.0%。

作为优化，所述的步骤S1中还包括重量组分如下的原料，Fe₂O₃0.1~0.8%，TiO₂0~2.0%，ZrO₂0~1.5，SrO₂0~0.3%。

作为优化，所述的步骤S3中酸洗温度为90~100℃。

作为优化，所述的步骤S4中水洗温度为70~80℃。

作为优化，所述的步骤S5中热处理的温度为520~570℃，处理时间为1.5~2.5h。

本方案的整体有益效果是：一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，具备以下有益之处：

(1)引入适量镧系稀土材料，稀土氧化物不仅能降低玻璃的熔制温度和高温粘度，还能提高玻璃的力学性能。将力学性能模量由10%提升至20%，强度20%提升至30%，因此以SiO2-Al2O3-CaO-MgO系统玻璃为高强度高模量玻璃纤维的基础组成，根据稀土材料的掺杂含量及掺杂方式对玻璃结构、弹性模量、化学稳定性（软化点）、介电性能（稍微提升）、热膨胀性能及液相线温度等性能的影响，找到其对玻璃结构与性能的影响规律，并对弹性模量较高的玻璃纤维的可拉性和拉伸强度进行测试分析和研究，通过实验CaO、MgO和稀土材料的三元混合碱土效应，在保证玻璃纤维拥有高力学性能、低成型温度（降低100度）的基础上，解决传统高性能玻璃液相线温度偏高、析晶速率偏快，易于发生玻璃析晶现象；

(2)引入适量密度最小的碱金属元素，氧化锂作为强电子的碱金属元素，在有效降低玻璃粘度的同时，可以提升玻璃的熔制性能，并且能够不影响玻璃的力学性能，另外氧化锂能提供可观的游离氧的特性，能够促进铝离子形成四面体配位以及玻璃体系网络结构的形成；

(3)引入适量过渡金属元素，提升玻璃耐碱性。氧化锆能够提高玻璃的粘度、硬度、弹性、折射率、化学稳定性，降低玻璃的热膨胀系数以及提升玻璃的的耐碱性，根据熔样实验确定氧化锆含量的最佳范围，仅保持玻璃熔化质量的稳定，有保持原料成本的最佳控制。

本发明方法中所用的上浆烘干装置，具备以下有益之处：

(1)将喷涂段设置为水平的第一喷涂段和竖直的第二喷涂段，对玻璃纤维进行高效喷涂浆液，使浆液充分包覆到玻璃纤维外部，有效提高玻璃纤维的性能；

(2)水平的喷涂段中的浆液与玻璃纤维接触时间长，能够与玻璃纤维进行充分接触，同时玻璃纤维经过第一喷涂段进入第二喷涂段时与内部管路进行挤压，能使浆液充分包覆的玻璃纤维上，其结构简单，包覆效率高；

(3)竖直的喷涂段中浆液沿玻璃纤维向下，对玻璃纤维进行高效的二次包覆，同时多余的浆液可沿玻璃纤维向下流，提高浆液的均匀包覆效果，减少浆液的浪费；

(4)设置倾斜的喷涂通道，通过喷涂通道对玻璃纤维进行喷涂浆液和烘干，能够有效提高浆液与玻璃纤维的接触面积，提高包覆和烘干效果；

(5)通过设置于喷涂段上部的烘干段对两次喷涂浆液进行高效烘干，同时倾斜向下的热风还能够将多余的浆液向下吹，防止浆液包覆不均匀的情况发生，减少浆液的浪费；

(6)多余的浆液沿玻璃纤维最终流入上浆烘干装置主体底部，经过漏液口流入浆液池中，对浆液进行回收，减少生产成本的浪费，提高生产效率；

(7)烘干管路与上浆烘干装置体和浆液池内部贯通，使整个装置处于循环的气体通道内，对热风进行循环使用，减少热量的浪费，提高热风的利用效率，提高能源的利用效率，节能减排；

(8)在喷涂段末端设置防漏装置，保证玻璃纤维与第一喷涂段11接触位置的密封，有效防止浆液渗出，提升生产环境，同时对渗入储液空间21内的浆液进行高效回收，节省生产成本；

(9)在汲液管上设置雾化器，对浆液进行高效雾化，提高浆液与玻璃纤维的接触面积，提高浆液的包覆效果，在烘干管路上设置过滤器，防止浆液对热风管的损坏。

附图说明

附图1为本发明上浆烘干装置主体的轴侧示意图。

附图2为本发明上浆烘干装置主体的结构示意图。

附图3为本发明上浆烘干装置主体主视示意图。

附图4为本发明附图3的A-A剖切示意图。

附图5为本发明福特的B部分放大结构示意图。

其中，1、上浆烘干装置主体，2、上浆管路，3、烘干管路，4、浆液池，5、外部管路，6、内部管路，7、防漏装置，8、走线腔，9、喷涂通道，10、烘干段，11、第一喷涂段，12、第二喷涂段，13、汲液管，14、第一上浆管路，15、第二上浆管路，16、液泵，17、防漏嘴，18、漏液槽，19、密封块，20、防漏端，21、储液空间，22、漏液管，23、漏液口，24、雾化器，25、过滤器，26、热风机，27、补风管，28、补液管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

S3、将步骤S2中制得的玻璃纤维进行酸洗；

S5、将步骤S4中水洗完成的玻璃纤维进行热定型处理；

所述的步骤S1中各原料重量组分比例为SiO₂56%、Al₂O₃17%、CaO9%、MgO8%、镧系稀土材料0.1%。

所述的S1中镧系稀土材料为镧系金属氧化物。

所述的步骤S1中镧系稀土材料包括CeO₂0.05%和La₂O₃0.05%。

所述的步骤S1中还包括重量组分如下的原料，Fe₂O₃0.1%，TiO₂1.0%，ZrO₂0.5，SrO₂0.1%。

所述的步骤S3中酸洗温度为90℃。

所述的步骤S4中水洗温度为70℃。

所述的步骤S5中热处理的温度为520℃，处理时间为1.5h。

实施例2：

S3、将步骤S2中制得的玻璃纤维进行酸洗；

S5、将步骤S4中水洗完成的玻璃纤维进行热定型处理；

所述的步骤S1中各原料重量组分比例为SiO₂63%、Al₂O₃24%、CaO17%、MgO13%、镧系稀土材料2%。

所述的S1中镧系稀土材料为镧系金属氧化物。

所述的步骤S1中镧系稀土材料包括CeO₂1.0%和La₂O₃1.0%。

所述的步骤S1中还包括重量组分如下的原料Fe₂O₃0.8%，TiO₂2.0%，ZrO₂1.5，SrO₂0.3%。

所述的步骤S3中酸洗温度为100℃。

所述的步骤S4中水洗温度为80℃。

所述的步骤S5中热处理的温度为570℃，处理时间为2.5h。

实施例3：

S3、将步骤S2中制得的玻璃纤维进行酸洗；

S5、将步骤S4中水洗完成的玻璃纤维进行热定型处理；

所述的步骤S1中各原料重量组分比例为SiO₂60%、Al₂O₃19%、CaO10%、MgO10%、镧系稀土材料1%。

所述的S1中镧系稀土材料为镧系金属氧化物。

所述的步骤S1中镧系稀土材料包括CeO₂0.5%和La₂O₃0.5%。

所述的步骤S1中还包括重量组分如下的原料Fe₂O₃0.38%，TiO₂1.0%，ZrO₂1.0，SrO₂0.2%。

所述的步骤S3中酸洗温度为95℃。

所述的步骤S4中水洗温度为75℃。

所述的步骤S5中热处理的温度为550℃，处理时间为2.0h。

一种上浆烘干装置，用于生产上述三个实施例中的玻璃纤维。

如图1所示，所述的上浆烘干装置包括上浆烘干装置主体1、上浆管路2、烘干管路3和浆液池4，所述的上浆管路2一端与上浆烘干装置主体1相连，所述的上浆管路2另一端与浆液池4相连，所述的烘干管路3一端与上浆烘干装置主体1相连，所述的烘干管路3另一端与浆液池4相连，所述的浆液池4设置于上浆烘干装置主体1下侧。玻璃纤维通过上浆烘干装置主体1进行上浆和烘干，上浆管路2为上浆烘干装置主体1内部的玻璃纤维进行喷涂浆液，通过烘干管路3为上浆烘干装置主体1内部的玻璃纤维进行烘干，通过浆液池4为装置整体提供浆液，同时对多余的浆液进行回收。

如图1、4所示，所述的上浆烘干装置主体1包括外部管路5和内部管路6，所述的内部管路6设置于外部管路5内部，所述的外部管路5顶端和内部管路6顶端固连，所述的外部管路5末端和内部管路6末端固连，所述的内部管路6末端设有防漏装置7。横向竖向，51段

如图4所示，所述的内部管路6内部设有走线腔8，所述的内部管路6和外部管路5之间设有喷涂腔，所述的内部管路6的管壁上设有喷涂通道9，所述的喷涂通道9倾斜设置，所述喷涂通道9的内侧端朝向玻璃纤维来向倾斜。玻璃纤维从下向上穿过内部管路6，上浆管路2中浆液通过喷涂通道9到达玻璃纤维上，对玻璃纤维进行均匀包裹，烘干管路3中的热风通过喷涂通道9对玻璃纤维上浆液进行烘干。

如图1所示，所述的上浆烘干装置主体1包括烘干段10和喷涂段，所述的烘干段10设置于喷涂段上侧，所述的烘干段10为竖直段，所述的烘干段10内部的喷涂通道9内侧朝下倾斜，所述的烘干管路3与烘干段10顶部相连，所述的烘干管路3与烘干段10顶部的喷涂通道9贯通连接，所述的喷涂段为L型管路，所述的喷涂段包括第一喷涂段11和第二喷涂段12，所述的第一喷涂段11为水平喷涂，所述的第二喷涂段12为竖直喷涂，所述的第二喷涂段12顶部与烘干段10底部贯通，所述的第一喷涂段11一端与第二喷涂段12底端贯通。在第一喷涂段11内玻璃纤维水平行进，通过竖向倾斜的喷涂通道9对玻璃纤维进行第一次喷涂，对玻璃纤维进行初步的均匀包裹，对玻璃纤维进行初步的浸润，能够提高浆液与玻璃纤维的接触时间；玻璃纤维在第二喷涂段12从下向上行进，经过倾斜的喷涂通道9对玻璃纤维进行二次喷涂，在初步浸润的基础上进一步提高浆液的包裹效率，同时多余的浆液沿玻璃纤维向下。

如图1、2所示，所述的上浆管路2包括汲液管13、第一上浆管路14和第二上浆管路15，所述的汲液管13底端与浆液池4贯通，所述的汲液管13上设有液泵16，所述的第一上浆管路14一端、第二上浆管路15一端均与汲液管13相连，所述的第一上浆管路14另一端与第一喷涂段11内部的喷涂通道9贯通相连，所述的第二上浆管路15与第二喷涂段12上端的喷涂通道9贯通连接。第一上浆管路14为第一喷涂段11提供浆液，第二上浆管路15为第二喷涂段12提供浆液。

如图4和图5所示，所述的防漏装置7包括防漏嘴17和漏液槽18，所述的漏液槽18设置于第一喷涂段11末端，所述的防漏嘴17一端设置于漏液槽18内部，所述的内部管路6末端设有密封块19，所述的密封块19中心设有玻璃纤维通道，所述的防漏嘴17一端设置于玻璃纤维通道内。通过防漏嘴17的设置对内部管路6与玻璃纤维之间的连接处进行密封，防止浆液从通道内漏出。

如图5所示，所述的防漏嘴17中心设有玻璃纤维通道，所述的防漏嘴17前端和防漏嘴17后端均设有倾斜的防漏端20，所述的两个防漏端20之间设有储液空间21，所述的储液空间21下方设有漏液管22，所述的漏液管22设置于漏液槽18内。通过两个防漏端20对浆液进行高效阻隔，通过防漏端20漏过的浆液经过储液空间21流入漏液槽18内。

所述的喷涂段末端设有漏液口23，所述的漏液口23与漏液槽18内部贯通，所述的漏液槽18底部与浆液池4相连。储液槽内部的浆液最后流回浆液池4内回收。

如图1和图2所示，所述的上浆管路2上设有雾化器24，所述的烘干管路3下侧设有过滤器25，所述的烘干管路3上部设有热风机26，所述的过滤器25和热风机26之间的烘干管路3上设有补风管27。通过补风管27为循环系统内部补风，保持装置内部的气压稳定。通过雾化的浆液对玻璃纤维进行高效包覆，同时也能大大减少浆液的用量，节省成本。

所述的浆液池4顶部设有补液管28。通过补液管28为浆液池4内部补充浆液。

使用方法：

玻璃纤维经上浆烘干装置主体1底部的防漏装置20处进入走线腔8内，经上浆烘干装置主体1顶部穿出，通过上浆管路2位上浆烘干装置主体1内部提供浆液，对玻璃纤维进行喷雾浆液，通过烘干管路3对玻璃纤维进行高效烘干，通过浆液池4为装置主体提供浆液，同时对多余的浆液进行回收，具体包括以下步骤：

(1)玻璃纤维先后进行水平的第一喷涂段11和第二喷涂段12进行两次喷涂浆液；经过水平的第一喷涂段11时与雾状的浆液进行初步接触，接触时间长，能够对玻璃纤维进行初步包覆，形成初步的包覆膜，经第一喷涂段11和第二喷涂段12的连接处时，与内部管路6内壁进行挤压，使浆液充分黏附到玻璃纤维上，同时挤掉多余的浆液，随后进入第二喷涂段11中进行第二次包覆，与雾状的浆液进行充分接触，形成第二层包覆膜，对玻璃纤维进行高效的包覆，提高玻璃纤维的性能，多余的浆液可沿玻璃纤维向下流；

(2)经过两次包覆的玻璃纤维进行烘干管路3中进行烘干，烘干管路3中的热风经过喷涂通道9对玻璃纤维进行烘干，同时斜向下的风能够将玻璃纤维上多余的浆液向下吹，减少浆液的浪费，热风经过烘干装置主体1后经过漏液槽18后进入浆液池4内，依次进行循环，减少热量的损失，可通过补风管27对系统内部进行补风，保证装置内部的气压平衡，同时烘干管路3上设置过滤器25，过滤器25可为除沫器等能滤过液体的装置，防止浆液通过烘干管路3进入到热风机26中；

(3)防漏装置7能够有效防止玻璃纤维与密封块19接触部分漏液，浆液会从防漏端20的倾斜面向上，有效减少浆液经过防漏端20进入储液空间21中，同时储液空间下方的漏液管22设置于漏液槽内，对渗出的浆液通过漏液槽18进行回收；

(4)第一喷涂段11和第二喷涂段12内部的多余浆液最终从喷涂段末端的漏液口23处流出，对浆液进行回收。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书的一种玻璃纤维生产方法及上浆烘干装置且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims

1.一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

S3、将步骤S2中制得的玻璃纤维进行酸洗；

S5、将步骤S4中水洗完成的玻璃纤维进行热定型处理；

S6、将步骤S5中得到的玻璃纤维经过上浆烘干装置进行涂胶和烘干，得到带有涂层的强化玻璃纤维；

所述的步骤S6中所用的上浆烘干装置包括上浆烘干装置主体、上浆管路、烘干管路和浆液池，所述的上浆管路一端与上浆烘干装置主体相连，所述的上浆管路另一端与浆液池相连，所述的烘干管路一端与上浆烘干装置主体相连，所述的烘干管路另一端与浆液池相连，所述的浆液池设置于上浆烘干装置主体下侧；

所述的上浆烘干装置主体包括外部管路和内部管路，所述的内部管路设置于外部管路内部，所述的外部管路顶端和内部管路顶端固连，所述的外部管路末端和内部管路末端固连，所述的内部管路末端设有防漏装置；所述的内部管路内部设有走线腔，所述的内部管路和外部管路之间设有喷涂腔，所述的内部管路的管壁上设有喷涂通道，所述的喷涂通道倾斜设置，所述喷涂通道的内侧端朝向玻璃纤维来向倾斜；玻璃纤维从下向上穿过内部管路，上浆管路中浆液通过喷涂通道到达玻璃纤维上，对玻璃纤维进行均匀包裹，烘干管路中的热风通过喷涂通道对玻璃纤维上浆液进行烘干；

所述的上浆烘干装置主体包括烘干段和喷涂段，所述的烘干段设置于喷涂段上侧，所述的烘干段为竖直段，所述的烘干段内部的喷涂通道内侧朝下倾斜，所述的烘干管路与烘干段顶部相连，所述的烘干管路与烘干段顶部的喷涂通道贯通连接，所述的喷涂段为L型管路，所述的喷涂段包括第一喷涂段和第二喷涂段，所述的第一喷涂段为水平喷涂，所述的第二喷涂段为竖直喷涂，所述的第二喷涂段顶部与烘干段底部贯通，所述的第一喷涂段一端与第二喷涂段底端贯通，在第一喷涂段内玻璃纤维水平行进，通过竖向倾斜的喷涂通道对玻璃纤维进行第一次喷涂，对玻璃纤维进行初步的均匀包裹，对玻璃纤维进行初步的浸润，玻璃纤维在第二喷涂段从下向上行进，经过倾斜的喷涂通道对玻璃纤维进行二次喷涂，同时多余的浆液沿玻璃纤维向下。

2.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的步骤S1中各原料重量组分比例为SiO₂56~63%、Al₂O₃17~24%、CaO9~17%、MgO8~13%、镧系稀土材料0.1~2%。

3.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的S1中镧系稀土材料为镧系金属氧化物。

4.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的步骤S1中镧系稀土材料包括CeO₂0.05~1.0%和La₂O₃0.05~1.0%。

5.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的步骤S1中还包括重量组分如下的原料，Fe₂O₃0.1~0.8%，TiO₂0~2.0%，ZrO₂0~1.5，SrO₂0~0.3%。

6.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的步骤S3中酸洗温度为90~100℃。

7.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的步骤S4中水洗温度为70~80℃。

8.根据权利要求1所述的一种基于镧系稀土材料的玻璃纤维生产方法，其特征在于：所述的步骤S5中热处理的温度为520~570℃，处理时间为1.5~2.5h。