CN113173700B - 一种短切纤维毡的生产系统及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短切纤维毡的生产系统及生产方法，属于无机非金属材料技术领域。上述生产系统包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置以及短切纤维毡成型装置；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；然后通过短切纤维毡成型装置对原丝饼进行切断，然后再沉降室成型，撒上粘结剂，烘干后即可得到短切纤维毡。本发明的短切纤维毡中各原料共同作用，使得制备的短切纤维毡不仅具有较好的抗拉强度，还具有较高的弹性模量。

Description

一种短切纤维毡的生产系统及生产方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是指一种短切纤维毡的生产系统及生产方法。
背景技术
玻璃纤维(Fiberglass)，是一种性能优异的无机非金属材料，具有良好的绝缘性，同时耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但是性脆，耐磨性较差。它是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。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。
现有技术中提升玻璃纤维弹性模量的方法有很多，例如S玻璃，基本组成为：65wt％的SiO2，25wt％的Al2O3，10wt％的MgO。S玻璃纤维理论单丝强度高达4500MPa，弹性模量超过85GPa，力学性能非常优异。但它的成型温度超过了1470℃，且极易析晶，生产难度很大，无法实现大规模推广应用。
现有公开专利中大多通过添加不同的物质提高玻璃纤维的弹性模量，例如：专利文献CN108751728A公开了一种基于玄武岩生产的高模量玻璃纤维组合物。所述组合物各组分含量如下：SiO2：53.0-60.0％；Al2O3：24.5-28.0％；MgO：8.0-15.0％；Fe2O3：1.5-5.5％；TiO2：2.0-4.0％；0＜CaO≤5.0％；0＜Na2O≤1.5％；0＜K2O≤0.5％。该发明利用玄武岩矿物原料和常规玻璃纤维矿物原料制成，引入了相当比例的Fe2O3组分，使玻璃纤维兼具有玄武岩玻璃纤维特有的高强高模等特性。但是Fe2O3的存在极易导致玻璃分相，使得稳定性变差，机械强度变差；且二氧化钛的含量偏高使得玻璃颜色偏深，限制其应用。
专利文献CN107216042A公开了一种高模量玻璃纤维组合物，包括如下组分：SiO250wt％-58wt％；Al2O318wt％-24wt％；SiO2与Al2O3的总含量72.5wt％-79.5wt％；Al2O3/SiO2质量分数比值0.34-0.45；TiO20.2wt％-1.5wt％；ZnO 0-2.0wt％；ZrO20-2.0wt％；Fe2O30.1wt％-0.6wt％；CaO 9.2wt％-11wt％；MgO 9wt％-12wt％；CaO与MgO的总含量18.2wt％-22wt％；MgO/CaO质量分数比值1.0-1.3；Na2O、K2O与Li2O的总含量0.2wt％-1.0wt％；上述组分总计100％。但是，氧化镁含量过高，会增加玻璃的析晶倾向。
短切纤维毡是将连续纤维原丝短切成50mm的丝段在平面上随机无定向均匀分布，并加以适当的化学粘合剂粘合而成的薄毡材料，是玻璃纤维的主要产品之一。在玻璃纤维原丝弹性模量较小的基础上，制备的短切纤维毡的应用范围也受到较大的限制。且短切纤维毡常规生产过程中原料混合不均匀，设备复杂。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种短切纤维毡的生产系统及生产方法；本发明中原料通过气力混合并输送，方便快捷，生产设备简单，且制备的玻璃纤维在具有较好的稳定性的基础上还具有较高的弹性模量，适合规模化生产，且制备的短切纤维毡具有较好的抗拉强度。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种短切纤维毡的生产系统，包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置以及短切纤维毡成型装置；
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，然后经由所述短切纤维毡成型装置得到短切纤维毡产品。
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。
进一步的，所述短切纤维毡成型装置包括顺次连接的烘干炉、切断装置、沉降室、喷水装置、撒粉装置、烘干装置和压实装置；该部分装置为常规短切纤维毡生产装置。
另一方面，本发明还提供一种短切纤维毡的生产方法，利用上述短切纤维毡的生产系统，包括：利用所述混合装置按比例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，得到玻璃纤维；然后再通过浸润集丝装置得到原丝饼，然后利用短切纤维毡成型装置生产得到所述短切纤维毡。
进一步的，所述玻璃纤维原料由以下重量百分比组分组成：
Figure BDA0003041729430000031
Figure BDA0003041729430000041
所述R2O为Na2O、K2O与Li2O的混合物；其中Li2O占R2O总重量的50-60％；
所述CaO、Al2O3和MgO的重量比为1:0.88-1.5:0.33-0.78；Ce2O3/Yb2O3的重量比为1:0.1-1。
优选的，所述玻璃纤维原料由以下重量百分比组分组成：
Figure BDA0003041729430000042
优选的，所述CaO、Al2O3和MgO的重量比为1:1-1.5:0.5-0.78；Ce2O3/Yb2O3重量比为1:0.8-1。
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以及短切纤维毡成型装置；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；然后通过短切纤维毡成型装置对原丝饼进行切断，然后在沉降室成型，撒粉上粘结剂，烘干后即可得到短切纤维毡。本发明的短切纤维毡中各原料系统作用，使得制备的短切纤维毡不仅具有较好的抗拉强度，还具有较高的弹性模量。
本发明中SiO2形成玻璃的骨架主体，是网络形成物，为了提高玻璃纤维的模量，本申请在一定程度上降低了SiO2的含量，同时为了保证化学稳定性和机械强度，限定SiO2含量为54-57％。
Al2O3的添加对玻璃纤维析晶倾向和稳定性、机械强度产生影响，添加量越高，能够提高其稳定性和机械强度，但是析晶速率增大，熔融难度提高、粘度增大，增加玻璃熔制过程中的困难。
为调节玻璃粘度和玻璃析晶作用，添加一定含量的CaO和MgO，通过对CaO与Al2O3的重量比的限定，降低玻璃的粘度；同时，通过调整CaO和MgO用量比例，能够有效降低析晶倾向，并在一定程度上提高强度。进一步的，Ce2O3、Yb2O3、ZrO2、BaO等作为良好的助熔剂，能够在一定程度上降低熔制困难。
本发明在SiO2和Al2O3形成的网络中，引入钙、镁、铈、镱、锆、钡等离子，通过限定各物质的添加量，尤其是CaO/Al2O3/MgO和Ce2O3/Yb2O3的重量比，利用各离子之间的协同效应，使得网络更为紧密，各离子在网络中移动困难，从而提高弹性模量，降低析晶倾向。
附图说明
图1为本发明实施例1中短切纤维毡的生产系统结构示意图；
图2为本发明中短切纤维毡成型装置的结构框图。
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。
本发明提供一种短切纤维毡的生产系统及生产方法，具体实施例如下。
实施例1
一种短切纤维毡的生产系统，见图1-2，包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置以及短切纤维毡成型装置；
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，然后经由短切纤维毡成型装置得到短切纤维毡产品。
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以及短切纤维毡成型装置；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；然后通过短切纤维毡成型装置对原丝饼进行切断，然后再沉降室成型，撒上粘结剂，烘干后即可得到短切纤维毡。本发明的短切纤维毡中各原料共同作用，使得制备的短切纤维毡不仅具有较好的抗拉强度，还具有较高的弹性模量。
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。
进一步的，短切纤维毡成型装置包括顺次连接的烘干炉、切断装置、沉降室、喷水装置、撒粉装置、烘干装置、压实装置；该部分装置为常规短切纤维毡生产装置。
本发明还提供一种短切纤维毡的生产方法，利用上述短切纤维毡的生产系统，包括：利用所述混合装置按比例(表1中实施例1)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，得到玻璃纤维；然后再通过浸润集丝装置得到原丝饼，浸润剂为专利CN109320100A专利实施例3的浸润剂，用量为玻璃纤维重量的0.1％；然后利用短切纤维毡成型装置生产得到所述短切纤维毡，粘结剂为聚酯树脂粉末，粒径为100-250μm，基于玻璃纤维短切丝束层积体的重量，粘合剂的粘结量为10％。得到的短切纤维毡厚度为1.2mm、毡的每1m2的重量(每1m2的毡所用的玻璃纤维短切丝束的量，下同)为450g/m2，进行性能测试，结果见表2。
实施例2-8
按照表1中实施例2-8配方称取原料，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Yb2O3替换为等量的La2O3，其余条件与实施例3相同。
对比例2
将Yb2O3替换为等量的Y2O3，其余条件与实施例3相同。
对比例3-7
按照表1中对比例3-7配方称取原料，其余条件与实施例3相同。
对实施例1-8和对比例1-7制备的短切纤维毡进行性能检测，裁切出宽度50mm×长度150mm的试验片进行抗拉强度测试，分别制备10块，取平均值。裁切出宽度20mm×长度100mm的试验片弯曲弹性模量检测，分别制备10块，取平均值。实施例1-8制备短切纤维毡性能，测试结果见表2。对比例1-7制备短切纤维毡性能，测试结果见表3。
表1
序号 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Ce<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> ZrO<sub>2</sub> BaO Na<sub>2</sub>O K<sub>2</sub>O Li<sub>2</sub>O
实施例1 54 17 18 6 1.8 1.7 0.5 0.2 0.2 0.2 0.4
实施例2 57 16 12 9.3 3 1 0.4 0.5 0.2 0.12 0.48
实施例3 55 15 14 7 4.2 3.5 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
实施例4 56 14 16 7 3.9 1.6 0.2 0.3 0.2 0.3 0.5
实施例5 56 18 12 8 4.1 0.5 0.4 0.2 0.1 0.3 0.4
实施例6 55 15 16 10.5 1 0.7 0.4 0.4 0.2 0.25 0.55
实施例7 57 16 14 5 3.4 3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.6
实施例8 56 15 15 8 2.3 2 0.5 0.4 0.2 0.16 0.44
对比例1 55 15 14 7 4.2 -- 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
对比例2 55 15 14 7 4.2 -- 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
对比例3 55 15 14 7 7.7 -- 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
对比例4 55 15 14 7 4.2 3.5 0.3 0.1 0.3 0.3 0.3
对比例5 55 15 17.5 3.5 4.2 3.5 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
对比例6 55 19 10 7 4.2 3.5 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
对比例7 55 11.6 17.4 7 4.2 3.5 0.3 0.1 0.3 0.15 0.45
表2
Figure BDA0003041729430000081
Figure BDA0003041729430000091
由表1和表2可知，本发明制备的短切纤维毡，具有较高的抗拉强度和弹性模量。这是由于本发明通过SiO2、Al2O3、Ce2O3、Yb2O3、ZrO2、BaO等的协同作用，得到的玻璃纤维具有较好的弹性模量，便于制备。
表3
序号 抗拉强度，N 弹性模量，MPa 灼烧失重率，％
对比例1 126.5 586 94.1
对比例2 123.5 583 94.4
对比例3 120.4 574 93.3
对比例4 119.2 562 93.2
对比例5 124.2 591 94.6
对比例6 123.4 564 95.4
对比例7 122.5 583 94.8
由表1-3可知，与对比例1-3相比，将本发明中Yb2O3分别替换为La2O3或Y2O3、Ce2O3，得到的组合物与实施例相比，短切纤维毡的灼烧失重率差别不大，但是弹性模量和抗拉强度要远低于本发明的短切纤维毡。这可能是由于本发明中Yb离子与La、Y、Ce离子的离子半径差别较大，且Yb能够较好的进入SiO2和Al2O3形成的网络，防止离子在网络中移动，使得玻璃纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度，从而制备的纤维毡也具有较高的弹性模量和抗拉强度。
通过表2中数据可知，与对比例4-7相比，不同比例范围内得到的短切纤维毡的弹性模量和抗拉强度差别较大，而本发明中特定比例范围的CaO/Al2O3/MgO和Ce2O3/Yb2O3的重量比，以及R2O中Li2O的用量比例，能够得到弹性模量较大且稳定的短切纤维毡。
综上可知，利用本发明短切纤维毡生产系统，并通过限定各物质的添加量，尤其是CaO/Al2O3/MgO和Ce2O3/Yb2O3的重量比，利用各离子之间的协同效应，使得网络更为紧密，各离子在网络中移动困难，从而提高弹性模量和抗拉强度。
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 (9)

1.一种短切纤维毡的生产方法，其特征在于，利用短切纤维毡的生产系统生产，所述短切纤维毡的生产系统包括：混料装置、加热装置、池窑拉丝装置和浸润集丝装置以及短切纤维毡成型装置；
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，然后经由所述短切纤维毡成型装置得到短切纤维毡产品；
上述短切纤维毡的生产方法，包括：利用所述混料装置按比例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，得到玻璃纤维；然后再通过浸润集丝装置得到原丝饼，然后利用短切纤维毡成型装置生产得到所述短切纤维毡；
所述玻璃纤维原料由以下重量百分比组分组成：
SiO2 54-57wt％；
Al2O3 14-18wt％；
CaO 12-18wt％；
MgO 5-10.5wt％；
Ce2O3 1-5wt％；
Yb2O3 0.5-3.5wt％；
ZrO2 0.2-0.5wt％；
BaO 0.1-0.5wt％；
R2O 0.7-1.0wt％；
所述R2O为Na2O、K2O与Li2O的混合物；其中Li2O占R2O总重量的50-60%；
所述CaO、Al2O3和MgO的重量比为1:0.88-1.5:0.33-0.78；Ce2O3/Yb2O3 的重量比为1:0.1-1。
2.根据权利要求1所述的短切纤维毡的生产方法，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所述的短切纤维毡的生产方法，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所述的短切纤维毡的生产方法，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所述的短切纤维毡的生产方法，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所述的短切纤维毡的生产方法，其特征在于，所述短切纤维毡成型装置包括顺次连接的烘干炉、切断装置、沉降室、喷水装置、撒粉装置、烘干装置和压实装置。
7.根据权利要求6所述的短切纤维毡的生产方法，其特征在于，所述玻璃纤维原料由以下重量百分比组分组成：
SiO2 55-56wt％；
Al2O3 15-18wt％；
CaO 14-16wt％；
MgO 6-8wt％；
Ce2O3 2-5wt％；
Yb2O3 1-3.5wt％；
ZrO2 0.2-0.5wt％；
BaO 0.3-0.5wt％；
R2O 0.8-0.9wt％。
8.根据权利要求7所述的短切纤维毡的生产方法，其特征在于，所述CaO、Al2O3和MgO的重量比为1:1-1.5:0.5-0.78；所述Ce2O3/Yb2O3 重量比为1:0.8-1。
9.根据权利要求8所述的短切纤维毡的生产方法，其特征在于，所述玻璃纤维原料由以下重量百分比组分组成：
SiO2 55wt％；
Al2O3 15wt％；
CaO 14wt％；
MgO 7wt％；
Ce2O3 4.2wt％；
Yb2O3 3.5wt％；
ZrO2 0.3wt％；
BaO 0.1wt％；
Na2O 0.3wt%；
K2O 0.15wt%；
Li2O 0.45wt％。
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