CN112759270B - 一种玻璃纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维，包括如下质量份数的组分：SiO2：40～60份、Al2O3：15～25份、CaO：6.5～10.5份、MgO：4.5～9份、B2O3：2.5～6份、TiO2：2～4.5份、硫酸钙晶须：1.5～4份、Fe2O3：0.8～2.5份、Si3N4：0.5～2份，其中，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.3～75.4％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2～4.2％。本发明的玻璃纤维的拉伸强度值、弹性模量值较高，具有较好的抗拉强度、抗断裂强度，较高的机械强度。

Description

一种玻璃纤维
技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维，属于无机非金属材料技术领域。
背景技术
玻璃纤维属于无机非金属材料，它具有机械强度高、电绝缘性好、耐热性强、物理化学性质稳定等诸多优点，被广泛应用在各个领域，是目前应用量最大的无机纤维增强材料。在玻璃纤维的应用过程中，随着复合材料制品尺寸的不断增加，人们对玻璃纤维的力学性能尤其是弹性模量提出越来越高的要求，因此，需要寻求适合具有更高强度、质轻的玻璃纤维。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种玻璃纤维。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种玻璃纤维的制备方法，包括如下质量份数的组分：SiO2：40～60份、Al2O3：15～25份、CaO：6.5～10.5份、MgO：4.5～9份、B2O3：2.5～6份、TiO2：2～4.5份、硫酸钙晶须：1.5～4份、Fe2O3：0.8～2.5份、Si3N4：0.5～2份，其中，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.3～75.4％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2～4.2％。
优选地，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：49～60份、Al2O3：20～25份、CaO：7～9.5份、MgO：5.5～8份、B2O3：3.5～5份、TiO2：2.5～4份、硫酸钙晶须：2.5～4份、Fe2O3：1.2～2份、Si3N4：1～1.5份，其中，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为71.8～74.5％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2.9～3.8％。
其中，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：58份、Al2O3：23份、CaO：8.5份、MgO：7份、B2O3：4.5份、TiO2：3.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1.6份、Si3N4：1.2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为73.1％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.2％。
本发明还提供了一种玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至900～1050℃先加热1.5～2.5h，降低温度至500～550℃保持0.5～1h，再加入硫酸钙晶须混合后，再升温度至1050～1150℃加热2.5～3.5h，继续升温至1250～1450℃加热10～15h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，先升温至40～45℃烘焙10～15h，继续升温至90～100℃烘焙20～25h，继续升温至200～210℃烘焙15～20h，再继续升温至350～360℃烘焙15～20h，然后降温至30～50℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
其中，所述步骤(1)中对熔窑进行加热使得温度上升至1050℃先加热1.5h，降低温度至550℃保持1h再加入硫酸钙晶须混合后，再升高温度至1150℃加热3.5h，继续加热至1450℃至14h。
其中，所述步骤(3)先将温度上升至45℃烘焙12h，继续升高温度至100℃烘焙18h，继续升高温度至200℃烘焙18h，再继续升高温度至355℃烘焙18h，然后降温至40℃。
其中，所述步骤(3)中的升温的速度为3～5℃/min，降温的速度为4.5～5.5℃/min。
本发明的有益效果：本发明的玻璃纤维的拉伸强度值、弹性模量值较高，具有较好的抗拉强度、抗断裂强度，较高的机械强度；本发明的原料中添加硫酸钙晶须大大减小玻璃纤维的脆性，有效增加的玻璃纤维的韧性，提高玻璃纤维的抗拉强度、抗断裂强度；本发明的原料通过分阶段加热、加料熔融拉丝并未拉丝后分阶段烘焙，得到玻璃纤维的澄清、平整、颜色均匀，成品质量优异；本发明的玻璃纤维制备工艺简单，制备的玻璃纤维可广泛应用各个领域。
具体实施方式
为了对本发明作出更加清楚完整地说明，下面用具体实施例说明本发明，但并不是对发明的限制。
实施例1
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：40份、Al2O3：15份、CaO：6.5份、MgO：4.5份、B2O3：2.5份、TiO2：2份、硫酸钙晶须：1.5份、Fe2O3：0.8份、Si3N4：0.5份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为75.0％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2.0％。
制备过程：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至1050℃先加热1.5h，降低温度至550℃保持1h再加入硫酸钙晶须混合后，再升高温度至1150℃加热3.5h，继续加热至1450℃至14h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，以速度为3～5℃/min升温，先将温度上升至45℃烘焙12h，继续升高温度至100℃烘焙18h，继续升高温度至200℃烘焙18h，再继续升高温度至355℃烘焙18h，然后再以速度为4.5～5.5℃/min降温至40℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
实施例2
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：45份、Al2O3：20份、CaO：7份、MgO：5.5份、B2O3：3.5份、TiO2：2.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1份、Si3N4：0.8份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为73.2％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.9％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例3
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：49份、Al2O3：15份、CaO：7份、MgO：5.5份、B2O3：3.5份、TiO2：2.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1份、Si3N4：0.8份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为72.9％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为4.0％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例4
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：49份、Al2O3：20份、CaO：7份、MgO：5.5份、B2O3：3.5份、TiO2：2.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1.2份、Si3N4：1份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为73.2％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.9％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例5
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：55份、Al2O3：23份、CaO：8.5份、MgO：7份、B2O3：4.5份、TiO2：3.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1.6份、Si3N4：1.2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为72.4％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.2％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例6
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：55份、Al2O3：25份、CaO：9份、MgO：8份、B2O3：5份、TiO2：4份、硫酸钙晶须：4份、Fe2O3：2份、Si3N4：1.35份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.6％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.5％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例7
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：58份、Al2O3：23份、CaO：8.5份、MgO：7份、B2O3：4.5份、TiO2：3.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1.6份、Si3N4：1.2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为73.1％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.2％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例8
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：58份、Al2O3：25份、CaO：8.5份、MgO：7份、B2O3：5份、TiO2：4份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1.6份、Si3N4：1.2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为72.9％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.1％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例9
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：60份、Al2O3：25份、CaO：9份、MgO：8份、B2O3：5份、TiO2：4份、硫酸钙晶须：4份、Fe2O3：2份、Si3N4：1.35份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为72.9％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.1％。
实施例10
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：60份、Al2O3：25份、CaO：10.5份、MgO：9份、B2O3：4份、TiO2：4.5份、硫酸钙晶须：4份、Fe2O3：2份、Si3N4：2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.2％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.3％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
实施例11
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分与实施例7的玻璃纤维的质量份数的组分完全相同，不同在于制备过程：
本实施例的制备过程：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至900℃先加热2.5h，降低温度至550℃保持0.5h再加入硫酸钙晶须混合后，再升高温度至1050℃加热3.5h，继续加热至1250℃至15h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，以速度为3～5℃/min升温，先将温度上升至45℃烘焙12h，继续升高温度至100℃烘焙18h，继续升高温度至200℃烘焙18h，再继续升高温度至355℃烘焙18h，然后再以速度为4.5～5.5℃/min降温至40℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
实施例12
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分与实施例7的玻璃纤维的质量份数的组分完全相同，不同在于制备过程：
本实施例的制备过程：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至1050℃先加热1.5h，降低温度至550℃保持1h再加入硫酸钙晶须混合后，再升高温度至1150℃加热3.5h，继续加热至1450℃至15h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，以速度为3～5℃/min升温，先将温度上升至45℃烘焙10h，继续升高温度至100℃烘焙25h，继续升高温度至200℃烘焙15h，再继续升高温度至360℃烘焙20h，然后再以速度为4.5～5.5℃/min降温至35℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
实施例13
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分与实施例7的玻璃纤维的质量份数的组分完全相同，不同在于制备过程：
本实施例的制备过程：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至1050℃先加热1.5h，降低温度至550℃保持1h再加入硫酸钙晶须混合后，再升高温度至1150℃加热3.5h，继续加热至1450℃至15h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，以速度为3～5℃/min升温，先将温度上升至40℃烘焙15h，继续升高温度至90℃烘焙25h，继续升高温度至210℃烘焙20h，再继续升高温度至360℃烘焙15h，然后再以速度为4.5～5.5℃/min降温至50℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
对比例1
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：60份、Al2O3：25份、CaO：10.5份、MgO：9份、B2O3：6份、TiO2：4.5份、硫酸钙晶须：4份、Fe2O3：2.5份、Si3N4：2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为68.8％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.2％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
对比例2
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：60份、Al2O3：25份、CaO：10份、MgO：9份、B2O3：6份、TiO2：4.5份、硫酸钙晶须：1.5份、Fe2O3：2.5份、Si3N4：2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.5％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为1.2％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
对比例3
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：60份、Al2O3：25份、CaO：10份、MgO：9份、B2O3：6份、TiO2：4.5份、Fe2O3：2.5份、Si3N4：2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为71.4％，无硫酸钙晶须。
制备过程：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至1050℃先加热1.5h，再升高温度至1150℃加热3.5h，继续加热至1450℃至14h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，以速度为3～5℃/min升温，先将温度上升至45℃烘焙12h，继续升高温度至100℃烘焙18h，继续升高温度至200℃烘焙18h，再继续升高温度至355℃烘焙18h，然后再以速度为4.5～5.5℃/min降温至40℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
对比例4
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：60份、Al2O3：25份、CaO：10.5份、MgO：9份、B2O3：6份、TiO2：4.5份、硫酸钙晶须：1.5份、Fe2O3：2.5份、Si3N4：2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.2％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为1.2％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
对比例5
一种玻璃纤维，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：45份、Al2O3：15份、CaO：7份、MgO：7份、B2O3：6份、TiO2：4.5份、硫酸钙晶须：4份、Fe2O3：2.5份、Si3N4：2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为64.5％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为4.5％。
本实施例的制备过程与实例1的制备过程相同。
对实施例1-13、对比例1-5的成品玻璃纤维进行性能测试，结果如下表所示：
Figure GDA0003517426880000091
由上表可知，相比于对比3的原料中没有硫酸钙晶须，实施例1-13的原料中添加硫酸钙晶须大大减小玻璃纤维的脆性，有效增加的玻璃纤维的韧性，提高玻璃纤维的抗拉强度、抗断裂强度；相比于对比例1原料中的SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为68.8％以及硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.2％、对比例2原料中的SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.5％以及硫酸钙晶须占总质量的质量分数为1.2％、对比例4原料中的SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.2％以及硫酸钙晶须占总质量的质量分数为1.2％、对比例5原料中的SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为64.5％以及硫酸钙晶须占总质量的质量分数为4.5％，实施例1-13原料中的SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.3～75.4％以及硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2～4.2％使玻璃纤维的抗拉强度、抗断裂强度较为优异，拉伸强度值大于3400MPa，具有较高的弹性模量并其值大于88GPa，本发明的玻璃纤维原料的SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为71.8～74.5％以及硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2.9～3.8％，其拉伸强度值更趋近或甚至超过3500MPa，弹性模量值更高大于94GPa。
因此，本发明的玻璃纤维具有较好的拉伸强度高，机械强度高，制备工艺简单，可广泛应用各个领域。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种玻璃纤维，其特征在于，包括如下质量份数的组分：SiO2：40～60份、Al2O3：15～25份、CaO：6.5～10.5份、MgO：4.5～9份、B2O3：2.5～6份、TiO2：2～4.5份、硫酸钙晶须：1.5～4份、Fe2O3：0.8～2.5份、Si3N4：0.5～2份，其中，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为70.3～75.4％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2～4.2％。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维，其特征在于，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：49～60份、Al2O3：20～25份、CaO：7～9.5份、MgO：5.5～8份、B2O3：3.5～5份、TiO2：2.5～4份、硫酸钙晶须：2.5～4份、Fe2O3：1.2～2份、Si3N4：1～1.5份，其中，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为71.8～74.5％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为2.9～3.8％。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维，其特征在于，该玻璃纤维包括如下质量份数的组分：SiO2：58份、Al2O3：23份、CaO：8.5份、MgO：7份、B2O3：4.5份、TiO2：3.5份、硫酸钙晶须：3.5份、Fe2O3：1.6份、Si3N4：1.2份，所述SiO2与Al2O3的质量之和占总质量的质量分数为73.1％，所述硫酸钙晶须占总质量的质量分数为3.2％。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃纤维，其特征在于，所述玻璃纤维的具体制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述质量份数将SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、TiO2、Fe2O3、Si3N4加入到熔窑中，混合均匀后，对熔窑进行加热使得温度上升至900～1050℃先加热1.5～2.5h，降低温度至500～550℃保持0.5～1h，再加入硫酸钙晶须混合后，再升温度至1050～1150℃加热2.5～3.5h，继续升温至1250～1450℃加热10～15h；
(2)熔融状态的液体经速度为4～5.5m/min的拉丝机进行拉丝，经过40～55℃的水中冷却成型，然后浸泡在25～30℃的清水；
(3)将清洗后的玻璃纤维在密闭的高温烘焙炉中进行热处理，先升温至40～45℃烘焙10～15h，继续升温至90～100℃烘焙20～25h，继续升温至200～210℃烘焙15～20h，再继续升温至350～360℃烘焙15～20h，然后降温至30～50℃；
(4)烘焙后的玻璃纤维的表面通过浸胶、压浆、烘干即得到成品。
5.根据权利要求4所述的一种玻璃纤维，其特征在于，所述步骤(1)中对熔窑进行加热使得温度上升至1050℃先加热1.5h，降低温度至550℃保持1h再加入硫酸钙晶须混合后，再升高温度至1150℃加热3.5h，继续加热至1450℃至14h。
6.根据权利要求4所述的一种玻璃纤维，其特征在于，所述步骤(3)中的升温的速度为3～5℃/min，降温的速度为4.5～5.5℃/min。
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