CN113121106B - 一种玻璃纤维生产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维生产系统及方法，属于无机非金属材料技术领域。上述玻璃纤维生产系统包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置；通过混料装置将玻璃纤维原料混合均匀，并通过气力输送至池窑拉丝装置，并通过加热装置对池窑拉丝装置进行加热，使得原料熔融，然后拉丝成型，得到玻璃纤维原丝，然后在表面涂覆浸润剂，集丝后得到原丝饼。本发明玻璃纤维生产设备简单，制备的玻璃纤维与树脂相容性好，利用本发明浸润剂制备的玻璃纤维增强树脂复合材料具有良好的力学性能和机械性能。

Description

一种玻璃纤维生产系统及方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是指一种玻璃纤维生产系统及方法。

背景技术

工信部要求2020年达到油耗5L/100km的目标，而2015年约有1/4企业未能达到当年目标，工信部将通过不受理新产品申报以及不受理不达标企业投资项目等多个方式予以处罚。目前汽车厂商节能降耗压力大，汽车轻量化是实现节能降耗重要途径。

汽车轻量化是消费者和车企都关注的问题，要实现轻量化目标，除了优化结构和工艺设计之外，材料的选取也非常关键。为了给汽车减重，车企大量采用工程塑料，尤其是玻璃纤维增强塑料，以玻璃纤维增强塑料替代传统的高强度钢、镁铝合金等，能够在较大程度上降低汽车重量，节能降耗，同时也节约了制造成本。但是针对不同的树脂基体，需要利用不同的纤维材料，才能够达到较好的效果。

当前常规的玻璃纤维原料组成和制备工艺都已相当成熟，且变更较为困难，设备复杂。生产的玻璃纤维与树脂基体的相容性较差，为此可以利用浸润剂改变玻璃纤维的表面性能，增强其与树脂基体的相容性，在一定程度上提高复合材料的性能。例如专利CN107540244A、CN108640535A、CN108996923A等均是通过浸润剂提高改善玻璃纤维的表面性能，进一步提高增强塑料的性能。

在玻璃纤维生产过程中，需要在玻璃纤维表面涂覆浸润剂，浸润剂的性能很大程度上决定玻璃纤维的质量品质，浸润剂不仅能够增强纤维束的粘合性、耐起绒性、涂覆性，使纤维表面平滑，增加耐磨性、柔韧性，并易于卷绕且缠绕时损伤减少；还能够提高玻璃纤维与树脂基体的相容性，使得制备的复合材料的机械性能得以提高。但是，现有浸润剂在玻璃纤维表面的浸透较慢，成膜性差，导致制备的复合材料的力学性能较差，不便于应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种玻璃纤维生产系统及方法；本发明中原料通过气力混合并输送，生产设备简单，制备的玻璃纤维与树脂相容性好，利用本发明浸润剂制备的玻璃纤维增强树脂复合材料具有良好的力学性能和机械性能。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种玻璃纤维生产系统，包括混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置；

所述混料装置包括原料罐、料仓、称量器和混合输送罐，所述原料罐中的原料通过气力输送至所述料仓，所述料仓中原料经过所述称量器称量后管道输送至所述混合输送罐，并利用气力将所述原料混合均匀，再经脉冲气力输送到所述池窑拉丝装置；

所述池窑拉丝装置包括单元窑和设置在所述单元窑末端的H型通路，所述原料在单元窑中熔融成玻璃液，然后流至所述H型通路，由所述H型通路中的铂金漏板流出，由拉丝机拉制形成纤维单丝；

所述浸润集丝装置包括为所述纤维单丝涂覆浸润剂的单丝涂油器、以及合并所述纤维单丝的集丝器，所述纤维单丝被收集后经拉丝机拉制卷绕成原丝饼即可。

进一步的，所述混料装置还包括脉冲气力提供装置，所述脉冲气力提供装置通过管道连通所述原料罐和所述混合输送罐。

进一步的，所述加热装置包括以天然气为燃料的锅炉以及位于所述锅炉和池窑拉丝装置之间的换热器，用于对所述池窑拉丝装置供热，使原料熔融。

进一步的，所述生产系统还包括废丝回收装置，所述废丝回收装置包括使废丝混合均匀的废丝混合罐，所述废丝混合罐通过管道连通至所述单元窑，对废丝进行熔融处理。

进一步的，所述脉冲气力提供装置还连通废丝混合罐，通过气力将废丝混合并输送至所述单元窑中。

另一方面，本发明还提供一种玻璃纤维生产方法，利用上述生产系统，包括：利用所述混合装置称取玻璃纤维的原料，并输送至所述池窑拉丝装置中，通过加热装置对原料进行玻璃化、熔融处理，然后进行纺丝成型；然后再通过单丝涂油器涂覆浸润剂后，集丝器集丝绕制得到原丝饼。

进一步的，所述浸润剂由以下重量份组分组成：

所述硅烷偶联剂为质量比为1:0.4-0.8的3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷的混合物；

所述表面活性剂为质量比1:1-2的脂肪醇聚氧乙烯醚和十八烷基硫酸酯钠的混合物。

优选的，所述浸润剂由以下重量份组分组成：

优选的，所述不饱和聚酯树脂乳液分子量为800-3000；所述水性环氧树脂乳液分子量为300-500；所述抗静电剂为氯化铵或乙氧基化烷基酸胺；所述pH调节剂为柠檬酸和/或醋酸。

进一步的，所述浸润剂通过以下方法制备：

步骤1：将表面活性剂溶解在一部分去离子水中，然后加入硅烷偶联剂混合均匀；

步骤2：将不饱和聚酯树脂乳液和水性环氧树脂乳液分别用剩余的去离子水稀释后，加入到步骤1的混合溶液中，混合均匀；

步骤3：向步骤2溶液中加入pH调节剂、抗静电剂，混合均匀即可得到浸润剂。将上述浸润剂稀释后形成5-10wt％的水溶液，对玻璃纤维进行涂覆即可。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明生产系统包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置；通过混料装置将玻璃纤维原料混合均匀，并通过气力输送至池窑拉丝装置，并通过加热装置对池窑拉丝装置进行加热，使得原料熔融，然后拉丝成型，得到玻璃纤维原丝，然后在表面涂覆浸润剂，集丝后得到原丝饼。本发明生产设备简单，制备的玻璃纤维与树脂相容性好，利用本发明浸润剂制备的玻璃纤维增强树脂复合材料具有良好的力学性能和机械性能。

本发明浸润剂中，硅烷偶联剂为特定配比的3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷，水解后产生的反应基团与玻璃纤维中的二氧化硅能够反应，另一端的巯基和环氧烷基能够与树脂基体结合，使得玻璃纤维与树脂基体之间具有较好的相容性。

同时，本发明通过表面活性剂使得硅烷偶联剂与树脂乳液能够较好的分散，并使得树脂乳液与玻璃纤维接触时，较快的浸透，并在玻璃纤维表面形成均匀的树脂乳液薄膜，提高玻璃纤维和树脂基体的相容性，使得制备的增强材料具有较好的力学性能和机械性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中玻璃纤维生产系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

本发明中，所使用的材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。

本发明提供一种玻璃纤维生产系统及方法，具体实施例如下。

实施例1

一种玻璃纤维生产系统，见图1，包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置；

混料装置包括原料罐1、料仓2、称量器3和混合输送罐4，原料罐1中的原料通过气力输送至料仓2，料仓2中原料经过称量器3称量后管道输送至混合输送罐4，并利用气力将原料混合均匀，再经脉冲气力输送到池窑拉丝装置中；

池窑拉丝装置包括单元窑5和设置在单元窑5末端的H型通路6，原料在单元窑5中熔融成玻璃液，然后流至H型通路6，由H型通路6中的铂金漏板流出，由拉丝机拉制形成纤维单丝；

浸润集丝装置包括为纤维单丝涂覆浸润剂的单丝涂油器7、以及合并纤维单丝的集丝器8，纤维单丝被收集后经拉丝机9拉制卷绕成原丝饼。

进一步的，混料装置还包括脉冲气力提供装置10，脉冲气力提供装置10通过管道连通原料罐1和混合输送罐4。

脉冲气力提供装置10为现有的市售装置，如空气压缩机。

本发明生产系统包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置；通过混料装置将玻璃纤维原料混合均匀，并通过气力输送至池窑拉丝装置，并通过加热装置对池窑拉丝装置进行加热，使得原料熔融，然后拉丝成型，得到玻璃纤维原丝，然后在表面涂覆浸润剂，集丝后得到原丝饼，本发明生产设备简单，制备的玻璃纤维与树脂相容性好，利用本发明中的浸润剂制备的玻璃纤维增强树脂复合材料具有良好的力学性能和机械性能。

进一步的，加热装置可以包括以天然气为燃料的锅炉11以及位于锅炉11和池窑拉丝装置之间的换热器12，用于对池窑拉丝装置供热，使原料熔融。锅炉11还可以连通有废气处理装置14，以防止污染的产生。进一步的，生产系统还可以包括废丝回收装置，废丝回收装置包括使废丝混合均匀的废丝混合罐13，废丝混合罐13通过管道连通至单元窑5，对废丝进行熔融处理。

进一步的，脉冲气力提供装置10还连通废丝混合罐13，通过气力将废丝混合并输送至单元窑5中，废丝回收，节约成本。

一种玻璃纤维生产方法，利用上述生产系统，包括：利用所述混合装置称取玻璃纤维的原料，并输送至所述池窑拉丝装置中，通过加热装置在1300-1400℃对原料进行玻璃化、熔融处理，然后温度1200-1300℃下进行纺丝成型；然后再通过单丝涂油器涂覆浸润剂(浸润剂各物质配比见表1实施例1，表1中各物质单位为份)后，集丝器集丝绕制得到原丝饼。

其中，所述浸润剂通过以下方法制备：

步骤1：将表面活性剂溶解在1/2的去离子水中，然后加入硅烷偶联剂混合均匀；

步骤2：将不饱和聚酯树脂乳液和水性环氧树脂乳液分别用剩余的去离子水稀释后，加入到步骤1的混合溶液中，混合均匀；

步骤3：向步骤2溶液中加入pH调节剂、抗静电剂，混合均匀即可得到浸润剂。

所述不饱和聚酯树脂乳液分子量为800-3000；所述水性环氧树脂乳液分子量为300-500。

优选的，硅烷偶联剂为3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷的混合物；

所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚和十八烷基硫酸酯钠的混合物；

所述抗静电剂为氯化铵或乙氧基化烷基酸胺；所述pH调节剂为柠檬酸和/或醋酸。

实施例2-6

浸润剂各物质含量分别为表1中实施例2-6中的数据，其余条件与实施例1相同。

为进一步说明本申请的有益效果，因篇幅有限，仅以实施例3为例构建对比例如下。

对比例1

将3-巯基丙基三甲氧基硅烷替换为等量的γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷，其余条件与实施例3相同。

对比例2

将γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷替换为等量的3-巯基丙基三甲氧基硅烷，其余条件与实施例3相同。

对比例3

将3-巯基丙基三甲氧基硅烷替换为等量的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，其余条件与实施例3相同。

对比例4

将3-巯基丙基三甲氧基硅烷替换为等量的γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷，其余条件与实施例3相同。

对比例5

将3-巯基丙基三甲氧基硅烷替换为等量的γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷，将γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷替换为等量的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，其余条件与实施例3相同。

对比例6

将脂肪醇聚氧乙烯醚替换为等量的十八烷基硫酸酯钠，其余条件与实施例3相同。

对比例7

将十八烷基硫酸酯钠替换为等量的脂肪醇聚氧乙烯醚，其余条件与实施例3相同。

对比例8

将十八烷基硫酸酯钠替换为等量的脂肪酸季胺溴盐，其余条件与实施例3相同。

对比例9

省略表面活性剂，其余条件与实施例3相同。

对比例10

3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1，其余条件与实施例3相同。

对比例11

3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:0.2，其余条件与实施例3相同。

表1

分别利用本发明实施例和对比例浸润剂制备成玻璃纤维，浸润剂稀释成10wt％水溶液，拉丝工艺为5000孔拉2000tex原丝，130℃*14h烘制，微波全开，涂覆浸润剂后，浸润剂溶液用量为玻璃纤维重量的0.1％，得到改性玻璃纤维后，将其添加至聚苯乙烯中制备复合材料，其中改性玻璃纤维含量为16％。分别测试各实施例和对比例聚苯乙烯复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，测试标准为ASTM/D638；并测试弯曲强度，测试标准为ASTM/D790。实施例1-6浸润剂制备玻璃纤维增强聚苯乙烯复合材料性能，测试结果见表2。对比例1-11浸润剂制备玻璃纤维增强聚苯乙烯复合材料性能，测试结果见表3。

表2

序号	拉伸断裂强度，MPa	断裂伸长率，％	弯曲强度，MPa
				实施例1	83.2	1.4	92
实施例2	85.4	1.6	94
				实施例3	87.2	1.2	97
实施例4	84.1	1.6	90
				实施例5	85.6	1.8	91
实施例6	86.7	1.4	96

由表2可知，利用本发明系统和方法制备的玻璃纤维作为聚苯乙烯的增强材料，得到的复合材料具有较高的拉伸断裂强度，相比于聚苯乙烯材料本身的拉伸断裂强度35MPa，提高了1.37倍，同时，聚苯乙烯材料本身弯曲强度为48MPa，而本发明制备的复合材料的弯曲强度提高了0.87倍以上。

表3

由表1-3可知，与对比例1-5和对比例10-11相比，变更本发明浸润剂中硅烷偶联剂的种类和比例关系，制备的复合材料的各方面性能都有所降低，这可能是因为本发明浸润剂选用特定配比的3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷，使得玻璃纤维与树脂基体之间具有较好的相容性。

与对比例6-9相比，变更本发明浸润剂中表面活性剂的种类，制备的复合材料的各方面性能也都有所降低。这是因为本发明通过特定的表面活性剂使得硅烷偶联剂与树脂乳液能够较好的分散，并使得树脂乳液与玻璃纤维接触时，较快的浸透，并在玻璃纤维表面形成均匀的树脂乳液薄膜，提高玻璃纤维和树脂基体的相容性，使得制备的增强材料具有较好的力学性能和机械性能。

综上可知，本发明玻璃纤维生产设备简单，制备的玻璃纤维与树脂相容性好，利用本发明浸润剂制备的玻璃纤维增强树脂复合材料具有良好的力学性能和机械性能。

以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述玻璃纤维生产系统包括混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置；

所述混料装置包括原料罐、料仓、称量器和混合输送罐，所述原料罐中的原料通过气力输送至所述料仓，所述料仓中原料经过所述称量器称量后管道输送至所述混合输送罐，并利用气力将所述原料混合均匀，再经脉冲气力输送到所述池窑拉丝装置；

所述池窑拉丝装置包括单元窑和设置在所述单元窑末端的H型通路，所述原料在单元窑中熔融成玻璃液，然后流至所述H型通路，由所述H型通路中的铂金漏板流出，由拉丝机拉制形成纤维单丝；

所述浸润集丝装置包括为所述纤维单丝涂覆浸润剂的单丝涂油器、以及合并所述纤维单丝的集丝器，所述纤维单丝被收集后经拉丝机拉制卷绕成原丝饼即可；

所述方法包括：利用所述混料装置称取玻璃纤维的原料，并输送至所述池窑拉丝装置中，通过加热装置对原料进行玻璃化、熔融处理，然后进行纺丝成型；然后再通过单丝涂油器涂覆浸润剂后，集丝器集丝绕制得到原丝饼；

所述浸润剂由以下重量份组分组成：

硅烷偶联剂 10-20份；

不饱和聚酯树脂乳液 20-40份；

水性环氧树脂乳液 10-20份；

表面活性剂 1-10份；

pH调节剂 1-10份；

抗静电剂 1-5份；

去离子水 60-80份；

所述硅烷偶联剂为质量比为1:0.4-0.8的3-巯基丙基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷的混合物；

所述表面活性剂为质量比1:1-2的脂肪醇聚氧乙烯醚和十八烷基硫酸酯钠的混合物。

2.根据权利要求1所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述混料装置还包括脉冲气力提供装置，所述脉冲气力提供装置通过管道连通所述原料罐和所述混合输送罐。

3.根据权利要求2所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述加热装置包括以天然气为燃料的锅炉以及位于所述锅炉和池窑拉丝装置之间的换热器，用于对所述池窑拉丝装置供热，使原料熔融。

4.根据权利要求3所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述生产系统还包括废丝回收装置，所述废丝回收装置包括使废丝混合均匀的废丝混合罐，所述废丝混合罐通过管道连通至所述单元窑，对废丝进行熔融处理。

5.根据权利要求4所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述脉冲气力提供装置还连通废丝混合罐，通过气力将废丝混合并输送至所述单元窑中。

6.根据权利要求5所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述浸润剂由以下重量份组分组成：

硅烷偶联剂 10-15份；

不饱和聚酯树脂乳液 25-35份；

水性环氧树脂乳液 10-15份；

表面活性剂 5-10份；

pH调节剂 1-5份；

抗静电剂 2-5份；

去离子水 60-80份。

7.根据权利要求1或6所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述不饱和聚酯树脂乳液分子量为800-3000；所述水性环氧树脂乳液分子量为300-500；所述抗静电剂为氯化铵或乙氧基化烷基酸胺；所述pH调节剂为柠檬酸和/或醋酸。

8.根据权利要求7所述的利用玻璃纤维生产系统生产玻璃纤维的方法，其特征在于，所述浸润剂通过以下方法制备：

步骤1：将表面活性剂溶解在一部分去离子水中，然后加入硅烷偶联剂混合均匀；

步骤2：将不饱和聚酯树脂乳液和水性环氧树脂乳液分别用剩余的去离子水稀释后，加入到步骤1的混合溶液中，混合均匀；

步骤3：向步骤2溶液中加入pH调节剂、抗静电剂，混合均匀即可得到浸润剂。

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