一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物制造技术

本发明专利技术涉及一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物。此种玻璃纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能。能够在高性能复合材料及在耐热耐腐性环境下广泛应用。其特征在于，加入0.5-1.5wt%的ZrO2，无Li2O无TiO2无F2，在保证其高强度高模量的同时提高了玻璃的耐酸碱性。该玻璃纤维组合物以SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元系统为主，主要成分包括，59.0-62.0wt% SiO2，16.0-19.0wt% Al2O3；8.0-13.0wt% CaO，9.0-11.0wt% MgO，0.5- 1.2wt％R2O以及0.5-1.50wt％ZrO2。该玻璃纤维组合物可以实现池窑法直接生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，尤其涉及E玻璃纤维不能满足要求的高性能复合材料领域，能够在风电叶片、气瓶、化工管道、耐热耐腐蚀的环保工程领域以及电力工程领域广泛应用。
技术介绍
随着玻璃纤维在交通、工业、建筑、环境领域的日益扩大，在具有更高强度、模量，耐酸碱性、抗老化性等特殊领域，普通的无碱玻璃纤维由于其性能的缺陷已不能满足市场需求。目前市场上已有多种高强度高模量的玻璃纤维。例如S-2及R玻璃纤维，其纤维拉伸强度高达4400MPa，弹性模量以及耐温等性能大大提高。S-2玻璃纤维熔制温度需要1650℃，纤维成型温度达到1470℃左右，漏板温度极高，需使用全铂金作为内衬的窑炉才能熔制。除此之外，由于需要较高的温度导致漏板寿命大为缩短，生产成本很高限制了应用市场。R玻璃纤维成型温度大于1370℃，但其液相线温度也大约在1350℃，两者非常接近。纤维成型温度和液相线温度之差即△T，决定了玻璃纤维的成型性能。△T越大，在纤维玻璃成型过程中的柔韧度越大；相反，△T越小，便容易产生析晶，损坏漏板，降低拉丝作业稳定性。可见S-2及R玻璃的生产成本相当高，拉丝工艺也极为苛刻并不适合规模化生产，限制了市场应用。定义：1：液相线温度—一般认为是：玻璃由玻璃态向晶态转变的最高温度，此时初晶相和液相共存且达到相平衡。高于液相线温度时，不会产生析晶；但低于液相线温度时，玻璃熔体会产生析晶。2：△T：纤维成型温度和液相线温度之差，决定了纤维玻璃的成型性能。△T越大，在纤维玻璃成型过程中产生析晶的可能性越小；相反，△T越小，产生析晶的可能性增大，特别是漏板更换过程更易产生析晶，影响正常作业。3：本质上无锂相：指的是配方中不添加锂氧化物，此配方不含锂，降低了原料成本。4：直接拉丝池窑：此种玻璃适合在类似E玻璃纤维耐火材料池窑窑炉内熔制。5：应变点：玻璃进行退火处理的下限温度。6：软化点：玻璃纤维开始软化的温度。软化点值越高，材料的耐温度性能越好。
技术实现思路
本专利技术针对现有高性能增强玻璃纤维的成型温度高、作业难度大等缺点，通过优化配方设计了一种新的耐火学腐蚀高强度、高模量玻璃纤维组合物，该组合物可以在E玻璃纤维耐火材料池窑内熔制，且玻璃纤维具有拉伸强度高、弹性模量高、耐热性高及耐化学腐蚀性高等优良性能，适当降低了玻璃纤维的成型温度，在高性能玻璃纤维生产领域具有很好经济价值和使用价值。本专利技术的技术方案是：一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于：其组成以SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元系统为主，四种主量组分在玻璃纤维中所占质量分数为95.2-98.5%，在所述的四元系统中加入0.5-1.2%R2O、0.5-2.0%组分的ZrO2、其余为Fe2O3。本专利技术不含Li2O。本专利技术不含TiO2。本专利技术各成份按重量份计包括：59.0-62.0%SiO216.0-19.0%Al2O38.0-13.0%CaO9.0-11.0%MgO0.5-1.2%R2O0.5-2.0％ZrO2Fe2O3≤0.25%再进一步要求保护范围如下：59.0-61.0%SiO216.0-18.5%Al2O38.0-13.0%CaO9.0-11.0%MgO0.5-0.8%R2O0.5-1.5％ZrO2。本专利技术CaO含量为8.0-13.0%，。本专利技术SiO2含量为59.0-62.0%。本专利技术SiO2+Al2O3≥76.0％，3.1≤SiO2/Al2O3≤3.9。本专利技术MgO含量在9-11%之间。本专利技术还包含按重量计总量不超过0.25％的Fe2O3。本专利技术在类似E玻璃纤维耐火材料池窑窑炉内熔制，采用铂铑合金漏板直接拉丝作业生产。本专利技术玻璃纤维的拉伸强度为2700-2800MPa，弹性模量84-86Gpa本专利技术提供了一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维配方，属于SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元系统。其最大的特征是含有0.5-1.5%的ZrO2，不含Li2O和TiO2无F2。玻璃配方中加入Li2O，可适当降低熔制温度；但是在玻璃配方中适当调整CaO、MgO、SiO2、Al2O3、R2O（Na2O+K2O）的含量和比值也可以赋予纤维较高的弹性模量和强度。此组合物就是通过优化调整各组分，选择在相界线或者共熔点附近，来降低纤维成型温度，降低作业难度。经过多次实验得出Li2O对玻璃的耐侵蚀性能基本没有影响。引入Li2O的原料价格高，增加了原料成本。所以高强高模量玻璃纤维配方中完全可以不加入Li2O。TiO2在一定程度上能够提高玻璃化学稳定性，但TiO2属于着色氧化物，玻璃纤维的颜色也成为了客户的质量指标之一。本配方中不添加TiO2，保证了玻璃纤维的白度，同时改进了玻璃熔制中的透热性，拓宽了对颜色有要求的领域的应用；F2是玻璃工业中的助熔成份，能显著加快玻璃配合料的反应速度，由于F2易于挥发且对环境危害大，对设备腐蚀严重，本专利技术专利中完全限制了其使用,目的是获得一种性能优良、环境友好的玻璃纤维组合物。本专利技术配方中SiO2含量高达59.0-62.0%更加优化是59.0-61.0%，SiO2是主要的玻璃骨架成分，其含量增加可以显著提高玻璃的强度、耐温性、耐化学腐蚀性；Al2O3含量为16.0-19.0%，Al2O3可以提高玻璃的强度以及模量，Al2O3含量的增加，玻璃结构更加致密，强度、模量也随之提高。SiO2、Al2O3在提高玻璃粘度、模量及其他性能的同时也会导致玻璃熔化温度升高，对窑炉使用的耐火材料材质耐温性和熔制温度提出更高要求，对拉丝成型使用的漏板的高温适用性和冷却片的冷却能力要求更高，极大增加设备投资，不利于拉丝成型。本专利技术专利中除特定SiO2、Al2O3组分的各自含量外，还特定SiO2/Al2O3在3.1-3.9之间，这种特定的组分使玻璃纤维具有更高的强度、模量，且利于纤维成型；MgO含量为9.0-11.0%，MgO使玻璃具有良好的韧性，显著提高玻璃的模量，同时MgO属于网络外组分可以有效降低玻璃的高温粘度，对玻璃的熔制有一定好处，但MgO过高会促进玻璃的析晶，提高玻璃的析晶温度。CaO能够降低玻璃的高温粘度，但其含量过多会增加玻璃的析晶倾向，增大玻璃的脆性。本专利技术配方中限制CaO含量不大于13.0%，提高了玻璃的软化点至930℃，提高了玻璃的耐温性能，同时CaO会加速玻璃的成型速度，使玻璃具有较短的料性，利于拉丝成型。所以这四种主成分不能无限制的增加或是减少，本玻璃配方通过调整这四种组分的搭配比例，使其处于高温稳定组成区域，保证了纤维最终的力学机械性能，同时不至于增加拉丝成型工艺的难度。ZrO2可以有效提高玻璃的耐酸碱性，在硅酸盐玻璃中ZrO2只有立方体[ZrO8]一种配位。由于Zr4+离子半径较大，在玻璃结构中属网络外体可以有效填充在玻璃网络空隙中，并且含ZrO2的硅酸盐玻璃在酸碱溶液中水化后水化产物很难以离解成离子，因此ZrO2在酸碱溶液侵蚀下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于：其组成以SiO2‑Al2O3‑CaO‑MgO四元系统为主，四种主量组分在玻璃纤维中所占质量分数为95.2‑98.5%，在所述的四元系统中加入0.5‑1.2%R2O、0.5‑2.0%ZrO2、其余为Fe2O3。

【技术特征摘要】
1.一种耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于：其组成以SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元系统为主，四种主量组分在玻璃纤维中所占质量分数为95.2-98.5%，在所述的四元系统中加入0.5-1.2%R2O、0.5-2.0%ZrO2、其余为Fe2O3。
2.如权利要求１所述的耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于不含Li2O。
3.如权利要求１所述的高耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于不含TiO2。
4.如权利要求１所述的耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于各成份按重量份计包括：
59.0-62.0%SiO216.0-19.0%Al2O38.0-13.0%CaO
9.0-11.0%MgO
0.5-1.2%R2O
0.5-2.0％ZrO2Fe2O3≤0.25%。
5.如权利要求１所述的耐化学腐蚀高强度高模量玻璃纤维组合物，其特征在于各成份按重量份计包括，再进一步要求保护范围如下：
59.0-61.0%SiO216.0-18.5%Al2O38.0-13.0%CaO
9.0-11.0%M...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐志尧，李永艳，
申请(专利权)人：泰山玻璃纤维有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37