CN116102263A - 一种彩色高强度玻璃纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于玻璃纤维材料及其制备领域，涉及一种彩色高强度玻璃纤维及其制备方法，包含基础配合料和离子着色剂，其中，所述基础配合料与离子着色剂的重量比为100：0.2‑8。本发明得到的彩色高强度玻璃纤维具有极高的色牢度和机械强度，在复杂多变的使用环境下不易发生断裂和褪色，有更高的使用寿命。在制成彩色织物的过程中，不需要涂敷涂料和染色等工序，避免了化工涂料和色料的使用，生产过程中无VOC排放，生产过程绿色环保，具有极高的环境效益。制备过程中使用特定的高性能特种玻纤一体成形装置，达到杂质少、温度稳、成形快的生产需求，并且去除后期染色等步骤，简化了生产流程，极大提高了生产的效率，具有极高的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维材料及其制备领域，涉及一种彩色高强度玻璃纤维及其制备方法。
背景技术
我国是玻璃纤维生产大国，目前国内外玻璃纤维市场上，高强度玻璃纤维占据很大比重，主要应用于消防、交通、电子电器、国防、军工等领域。但由于高强玻璃纤维多为白色且可染性差，很大程度上限制了其应用范围，例如应用于军事设施的伪装网时就要求在不同使用环境具备不同的颜色，在草原、森林地带需要使用军绿色纤维，在沙漠、戈壁地带需要使用棕褐色纤维。因此，彩色高强度玻璃纤维的研发和生产，具有广阔的市场应用前景。
发明内容
针对现有玻璃纤维着色方式存在的问题，本发明的目的在于提供一种彩色高强度彩色玻璃纤维及其制备方法，通过选择合适的基础配合料和离子着色剂，通过高性能特种玻纤一体成形装置对原料进行熔制、拉丝成型，能够得到具有良好经济效益和社会效益的彩色高色牢度玻璃纤维及其制品。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：提供一种彩色高强度玻璃纤维，包含基础配合料和离子着色剂，其中，所述基础配合料与离子着色剂的重量比为100：0.2-8。
其中，所述基础配合料由52-68wt%SiO2、15-24wt%Al2O3、0.5-1.5wt%K2O与Na2O混合物、9-17wt%CaO、5-10wt%MgO和0.2-0.5wt%CeO2组成，其中，K2O与Na2O混合物中两者的质量比为K2O：Na2O=0.2-5：1。
所述离子着色剂包含铁、铬、铜、镍或钴过渡金属着色离子氧化物中的一种或多种。本发明针对离子着色剂可以有以下搭配组合，但并不局限于此，凡是基于此五种过渡金属着色离子氧化物的任意组合，均在本发明的保护范围内。作为进一步优选，可以提供以下几种方案：
第一种，所述离子着色剂由CuO和Cr2O3组成，且两者的质量比为CuO：Cr2O3=0.5-2：1，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：1-3。适当调配铜和铬的比例可获得由蓝绿到黄绿的一系列色调，增加铬的用量混合色向黄色调发展，反之增加铜的用量则混合色向蓝色色调发展。
第二种，所述离子着色剂为Co2O3，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：0.2-2。在一般熔制条件下，钴常以低价钴Co2+状态存在，着色稳定受玻璃组成和熔制工艺的影响较小。钴的着色能力很强，只需引入少量Co2O3就能使玻璃纤维产生亮蓝色。
第三种，所述离子着色剂由Co2O3和NiO组成，且两者的质量比为Co2O3：NiO=0-0.5：1，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：1-3。适当调配钴和镍的比例可获得由紫红色到蓝紫色的一系列色调，增加钴的用量混合色向蓝色调发展，反之增加镍的用量则混合色向红色调发展。
第四种，所述离子着色剂由Co2O3和Fe2O3组成，且两者的质量比为Co2O3：Fe2O3=0.2-1：1，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：2-5。铁和钴的混合着色可以获得灰色（略带黄色调），又称中性灰玻璃。随着铁钴比例的不同可以获得一系列深度不同的中性玻璃。
第五种，所述离子着色剂由CuO、Cr2O3、Fe2O3和NiO组成且四者的质量比为CuO：Cr2O3：Fe2O3：NiO=1：0.1-0.4：2-5：0.2-0.8，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：2-8。这四种着色剂混合使用，基本上将紫外和红外部分光能全部吸收，只有少量的可见光透过，使玻璃纤维呈黑色。
本发明还提供了一种彩色高强度玻璃纤维的制备方法，按照以下步骤制备而成：
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，即得到彩色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为1-2小时。
步骤（b）中，加热时间为1.5-3小时。
步骤（b）中加热窑体采用专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体。
目前在玻纤生产过程中，特别是高性能特种玻纤如彩色玻纤的生产中对各种生产条件要求严苛。目前的生产设备如玻璃球熔化炉、坩埚等无法满足生产需求。高性能玻纤需要高质量玻璃溶液，必须要做到杂质少、温度稳定才可以。现在常用的二次熔化不仅能耗额外升高还存在生产材料的浪费和污染。而专利CN201920368751.7（本申请人于2019年3月19日申请）记载的高性能特种玻纤一体成形装置，有效抓住了高性能玻纤生产的痛点，并进行了有效针对，将多种机构有机结合在一起，达到杂质少、温度稳、成形快的生产需求。该高性能特种玻纤一体成形装置同样适用于本发明高色牢度彩色玻璃纤维的制备生产，满足其性能指标的需要。本发明的制备方法其详细步骤，可以具体参考专利CN201920368751.7中的说明解释。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明得到的彩色高强度玻璃纤维具有极高的色牢度和机械强度，在复杂多变的使用环境下不易发生断裂和褪色，有更高的使用寿命。
（2）本发明得到的彩色高强度玻璃纤维本身具有颜色，在制成彩色织物的过程中，不需要涂敷涂料和染色等工序，避免了化工涂料和色料的使用，生产过程中无VOC排放，生产过程绿色环保，具有极高的环境效益。
（3）本发明使用的彩色高强度玻璃纤维制备方法，使用特定的高性能特种玻纤一体成形装置，达到杂质少、温度稳、成形快的生产需求，并且去除后期染色等步骤，简化了生产流程，极大提高了生产的效率，具有极高的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例一中彩色高强度玻璃纤维的SEM图（2000倍）；
图2为本发明实施例一中彩色高强度玻璃纤维的SEM图（5000倍）；
图3为本发明实施例一中彩色高强度玻璃纤维的CIE颜色图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明进行进一步阐述。
实施例一
一种彩色高强度玻璃纤维，设计基础配合料化学成分为58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%（K2O+Na2O，其中K2O：Na2O=0.2：1）、15wt%CaO、8wt%MgO和0.3wt%CeO2，设计离子着色剂各成分用量与基础配合料质量比为100基础配合料：1 CuO：1 Cr2O3。
上述彩色高强度玻璃纤维的制备方法为:
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，得到绿色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为1小时。
步骤（b）中，加热时间为2小时。
对实施例一得到的绿色高强度玻璃纤维进行SEM分析，如图1为2000倍下绿色高强度玻璃纤维的表面形貌图，图2为5000倍下绿色高色强玻璃纤维的表面形貌图。从图1中我们可以发现绿色玻璃纤维直径分布均匀且表面光滑，从图2中可以测得绿色玻璃纤维的直径约为9μm，表面无明显缺陷。
表1为从实施例一得到的绿色高强度玻璃纤维中随机抽取3组在D65光源下的CIEXYZ色度坐标中的参数测试，测试结果如下表：
表1：
根据表1中的数据在CIE颜色图中用黑点标记实施例一中各组绿色高强度玻璃纤维的颜色得到图3，从图3中我们可以看出所有样品都为绿色略带黄色且颜色差别极小。
按GB/T 8427-2008中的方法3测得实施例一中绿色高强度玻璃纤维的耐光色牢度≥7级， 按GB/T 3920中规定的方法测得实施例一中绿色高强度玻璃纤维的耐摩擦色牢度（干摩擦）≥5级，耐摩擦色牢度（湿摩擦）≥5级，明显高于国标要求。
实施例二
一种高强度彩色玻璃纤维，设计基础配合料化学成分为58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%（K2O+Na2O，其中K2O：Na2O=0.2：1）、15wt% CaO、8wt% MgO和0.3wt%CeO2，设计离子着色剂各成分用量与基础配合料质量比为100基础配合料：1Co2O3。
上述彩色高强度玻璃纤维的制备方法为:
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，得到蓝色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为2小时。
步骤（b）中，加热时间为1.5小时。
实施例三
一种高强度彩色玻璃纤维，设计基础配合料化学成分为58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%（K2O+Na2O，其中K2O：Na2O=0.2：1）、15wt%CaO、8wt%MgO和0.3wt%CeO2，设计离子着色剂各成分用量与基础配合料质量比为100基础配合料：0.2 Co2O3：1NiO。
上述彩色高强度玻璃纤维的制备方法为:
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，得到紫色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为1.5小时。
步骤（b）中，加热时间为3小时。
实施例四
一种高强度彩色玻璃纤维，设计基础配合料化学成分为58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%（K2O+Na2O，其中K2O：Na2O=0.2：1）、15wt%CaO、8wt%MgO和0.3wt%CeO2，设计离子着色剂各成分用量与基础配合料质量比为100基础配合料：1Co2O3：2Fe2O3。
上述彩色高强度玻璃纤维的制备方法为:
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，得到灰色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为2小时。
步骤（b）中，加热时间为1小时。
实施例五
一种高强度彩色玻璃纤维，设计基础配合料化学成分为58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%（K2O+Na2O，其中K2O：Na2O=0.2：1）、15wt%CaO、8wt%MgO和0.3wt%CeO2，设计离子着色剂各成分用量与基础配合料质量比为100基础配合料：1 CuO：0.2 Cr2O3：2.5Fe2O3：0.5 NiO。
上述彩色高强度玻璃纤维的制备方法为:
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，得到黑色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为1小时。
步骤（b）中，加热时间为3小时。
实施例六
一种高强度彩色玻璃纤维，设计基础配合料化学成分为58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%（K2O+Na2O，其中K2O：Na2O=0.2：1）、15wt%CaO、8wt%MgO和0.3wt%CeO2，设计离子着色剂各成分用量与基础配合料质量比为100基础配合料：1NiO。
上述彩色高强度玻璃纤维的制备方法为:
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入专利CN201920368751.7记载的高性能特种玻纤一体成形装置的加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，得到紫色高强度玻璃纤维。
步骤（a）中，研磨时间为1小时。
步骤（b）中，加热时间为3小时。
表2为对实施例一-六制备得到的彩色高强度玻璃纤维进行的机械强化测试，测试结果如下：
表2
由表2实验数据可知，本申请制备得到的玻璃纤维布具有断裂强度高、抗压强度高抗剪强度高的性能。
Claims (9)
1.一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，包含基础配合料和离子着色剂，其中，所述基础配合料与离子着色剂的重量比为100：0.2-8；
其中，所述基础配合料由58wt%SiO2、18wt%Al2O3、0.7wt%K2O与Na2O混合物、15wt%CaO、8wt%MgO和0.3wt%CeO2组成，其中，K2O与Na2O混合物中两者的质量比为K2O：Na2O=0.2：1；
所述离子着色剂包含铁、铬、铜、镍或钴过渡金属着色离子氧化物中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，所述离子着色剂由CuO和Cr2O3组成，且两者的质量比为CuO：Cr2O3=0.5-2：1，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：1-3。
3.根据权利要求1所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，所述离子着色剂为Co2O3，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：0.2-2。
4.根据权利要求1所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，所述离子着色剂由Co2O3和NiO组成，且两者的质量比为Co2O3：NiO=0-0.5：1，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：1-3。
5.根据权利要求1所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，所述离子着色剂由Co2O3和Fe2O3组成，且两者的质量比为Co2O3：Fe2O3=0.2-1：1，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：2-5。
6.根据权利要求1所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，所述离子着色剂由CuO、Cr2O3、Fe2O3和NiO组成，且四者的质量比为CuO：Cr2O3：Fe2O3：NiO=1：0.1-0.4：2-5：0.2-0.8，所述基础配合料与该离子着色剂的重量比为100：2-8。
7.一种权利要求1-6任一所述的彩色高强度玻璃纤维的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备而成：
（a）称取基础配合料与离子着色剂，进行研磨混合得到混合料；
（b）将步骤（a）的混合料加入加热窑体中，加热至1500℃形成玻璃熔融液；
（c）步骤（b）的玻璃熔融液通过熔融液上升通道到达恒温出料装置；
（d）步骤（c）中到达恒温出料装置的玻璃熔融液通过出液孔到达拉丝成型装置，再通过拉丝成形装置进行涂液及高速旋转拉丝成形，即得到彩色高强度玻璃纤维。
8.根据权利要求7所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，步骤（a）中，研磨时间为1-2小时。
9.根据权利要求7所述的一种彩色高强度玻璃纤维，其特征在于，步骤（b）中，加热时间为1.5-3小时。
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