專(zhuān)利名稱(chēng)：高強(qiáng)高模玻璃纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)高模玻璃纖維，主要用于風(fēng)電葉片和遠(yuǎn)程輸電線(xiàn)領(lǐng)域，還可用于航空、航天、兵器等國(guó)防軍工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，低成本規(guī)模發(fā)展是必然趨勢(shì)，而風(fēng)電低成本規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵是解決大尺寸風(fēng)電葉片的技術(shù)，由于隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度提出更高要求，因此，解決葉片材料的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題是解決風(fēng)電葉片大型化的技術(shù)關(guān)鍵。為此，風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家都把高強(qiáng)度高模量玻璃纖維的研發(fā)作為解決風(fēng)電葉片大型化的一個(gè)主攻方向。國(guó)外，OCV公司200 6年開(kāi)發(fā)出Hiper-tex 玻纖，其強(qiáng)度和模量比E玻璃分別提高30%和17% ；AGY公司2008年開(kāi)發(fā)出S-1玻纖，其強(qiáng)度和模量比E玻璃分別提高45%和20%，與傳統(tǒng)高強(qiáng)玻璃纖維相比，這些纖維力學(xué)性能相當(dāng)，但生產(chǎn)穩(wěn)定，價(jià)格低。我國(guó)三大玻纖巨頭為了搶占風(fēng)電葉片市場(chǎng)，也重點(diǎn)投入進(jìn)行研發(fā)，從2009 2010年間，先后研發(fā)出了 TM、Vipix)、GMG等牌號(hào)的玻纖，與E玻璃纖維相比，這些纖維的強(qiáng)度提高15 30%，模量提高10 17%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決現(xiàn)有玻璃纖維存在的不足，公開(kāi)一種具有良好機(jī)械性能即單絲拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量好，用作增強(qiáng)基材的高強(qiáng)高模玻璃纖維；本發(fā)明的另一個(gè)目的是公開(kāi)一種制備上述高強(qiáng)高模玻璃纖維的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:高強(qiáng)高模玻璃纖維，包括下述組分制成:Si0260 66wt%、Al20323 25.5wt%、Mg09 13.5wt%、CaOO 1.5wt%、Ce020 1.6wt%、Y2030 1.5wt%、Zr020 1.5wt%、Ti020 1.5wt%、Nb2O3O L 5wt%, Fe203、W03、R2O 及其它化合物，F(xiàn)e2O3> WO3> R2O 及其它化合物總量小于lwt%。作為優(yōu)選，包括下述組分制成:Si0261 64wt%、Α120323.5 25wt%、Mg09.5
10.5wt%、CaOO 1.5wt%、CeO20.2 1.0wt%、Y2O3O 1.5wt%、ZrO2O 1.5wt%、TiO2O
1.5wt%、Nb2O3O L 5wt%, Fe203、W03、R2O 及其它化合物，F(xiàn)e2O3> WO3> R2O 及其它化合物總量小于lwt%。高強(qiáng)高模玻璃纖維的制備方法，將權(quán)利要求1所述的各組分在1500°C 1550°C溫度條件下熔融制成玻璃，在1500°C下再熔融，熔融玻璃在1360 1380°C溫度條件下拉制成纖維。作為優(yōu)選，將各組分在1500°C 1550°C溫度條件下，邊攪拌邊熔融，熔制12小時(shí)制成玻璃，在1500°C下再熔融4小時(shí)以上，把單孔拉絲坩堝溫度降至1360 1380°C后，開(kāi)始拉絲，拉制成直徑為8 9 μ m的連續(xù)纖維。采用了上述技術(shù)方案的高強(qiáng)高模玻璃纖維，SiO2作為玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑，其含量直接影響玻璃強(qiáng)度、模量、析晶溫度、高溫粘度等，隨著SiO2含量的增加，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性提高，纖維強(qiáng)度提高、高溫粘度提高、析晶溫度下降，但彈性模量降低，玻璃熔化溫度和拉絲溫度提高導(dǎo)致工藝性能下降；反之，纖維的強(qiáng)度降低。本發(fā)明玻璃纖維中的SiO2含量最佳值為61 64wt% Jl2O3作為玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑，其含量直接影響玻璃強(qiáng)度、模量、析晶溫度、工藝性能等，隨著Al2O3含量的增加，纖維強(qiáng)度提高、彈性模量提高、析晶溫度提高、熔制溫度、拉絲溫度提高導(dǎo)致工藝性能下降；反之，纖維的強(qiáng)度和模量降低，難以獲得高強(qiáng)度玻璃纖維。本發(fā)明玻璃纖維中的Al2O3含量最佳值為23.5 25wt%0 MgO作為玻璃網(wǎng)絡(luò)外劑，適量的MgO具有降低玻璃析晶溫度、提高工藝性能和強(qiáng)度的作用，含量過(guò)高反而提高析晶溫度、降低纖維強(qiáng)度；太低難以起到應(yīng)有的作用。本發(fā)明玻璃中的MgO含量最佳值為9.5 10.5wt%。Ca0、Ce02、Ti02等金屬氧化物主要起到助熔、澄清、降低高溫度粘度、改善熔制和纖維成型工藝性能。本發(fā)明玻璃纖維中這些組份的最佳值為CaOO 1.5wt%,CeO2O 1.5wt%,TiO2O
1.5wt%0 Y2O3^ZrO2在此玻璃纖維中主要起到提高彈性模量的作用，含量太高時(shí)，會(huì)提高析晶溫度，影響工藝性能。本發(fā)明玻璃纖維中的含量最佳值為Y2O3O 1.5wt%,ZrO2O 1.5wt%。Nb2O3的作用尤其重要，其作用是能有效降低高鋁玻璃析晶溫度和玻璃液高溫粘度，有利于提高玻璃的工藝性能，含量過(guò)高，成本提高，不利于低成本規(guī)模化生產(chǎn)。本發(fā)明玻璃纖維中Nb2O3最佳含量為O 1.5wt%。在高鋁玻璃中加入Nb2O3能大大降低高鋁玻璃的析晶溫度和高溫粘度，提高工藝性能，而且，能有效提高纖維彈性模量。玻璃纖維中含有少量Fe203、W03、R2O等其它化合物，其總量小于lwt%，起助熔作用，提高熔制及拉絲工藝性能，R是指K、Na等堿金屬元素。本發(fā)明的高強(qiáng)高模玻璃纖維可以1500 1550°C溫度條件下，用電加熱熔融預(yù)配好的玻璃配合料來(lái)獲得高強(qiáng)高模玻璃。然后把玻璃在1500°C下再熔融，熔融玻璃在1360 1380°C溫度條件下通過(guò)鉬金漏板的漏嘴拉制成直徑為8 9 μ m連續(xù)纖維。拉制的纖維可以根據(jù)用戶(hù)需要制成玻璃纖維布、紗、帶等各種玻璃纖維產(chǎn)品。綜上所述，該高強(qiáng)高模玻璃纖維的優(yōu)點(diǎn)是具有很好的機(jī)械性能，即單絲拉伸強(qiáng)度4600 4820MPa、拉伸彈性模量> 90GPa，與傳統(tǒng)的E玻璃纖維相比，單絲拉伸強(qiáng)度提高33%以上、拉伸彈性模量提高27%以上。該高強(qiáng)高模玻璃纖維的制備方法的優(yōu)點(diǎn)是成形溫度1360 1380°C、液相溫度1300 1320°C，生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式表I為本發(fā)明的高強(qiáng)高模玻璃纖維的實(shí)施例。按表I中所示的高強(qiáng)高模玻璃纖維，包括下述組分制成:Si0260 66wt%、Al20323 25.5wt%> Mg09 13.5wt%> CaOO 1.5wt%> CeO2O 1.6wt%> Y2O3O 1.5wt%>ZrO2O 1.5wt%、TiO2O 1.5wt%、Nb2O3O 1.5wt%，這些氧化物在玻璃纖維中的總含量達(dá)到99wt%以上，本發(fā)明玻璃中含有少量Fe203、W03、R20及其它化合物，F(xiàn)e203> WO3> R2O及其它化合物總量小于lwt%, R是指K、Na等堿金屬元素。實(shí)施例:表權(quán)利要求
1.高強(qiáng)高模玻璃纖維，其特征在于包括下述組分制成:Si0260 66wt%、Al20323 25.5wt%、Mg09 13.5wt%、CaOO 1.5wt%、CeO2O 1.6wt%、Y2O3O 1.5wt%、ZrO2O 1.5wt%、TiO2O 1.5wt%、Nb2O3O 1.5wt%, Fe2O3' WO3> R2O 及其它化合物，F(xiàn)e2O3' WO3> R2O 及其它化合物總量小于lwt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高模玻璃纖維，其特征在于包括下述組分制成:Si0261 64wt%、Al20323.5 25wt%、Mg09.5 10.5wt%、CaOO 1.5wt%>CeO20.2 1.0wt%>Y2O3O 1.5wt%、ZrO2O 1.5wt%、TiO2O 1.5wt%、Nb2O3O 1.5wt%, Fe2O3' W03、R2O 及其它化合物，F(xiàn)e203、WO3> R2O及其它化合物總量小于lwt%。
3.高強(qiáng)高模玻璃纖維的制備方法，其特征在于將權(quán)利要求1所述的各組分在1500°C 1550°C溫度條件下熔融制成玻璃，在1500°C下再熔融，熔融玻璃在1360 1380°C溫度條件下拉制成纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)高模玻璃纖維的制備方法，其特征在于將各組分在1500°C 1550°C溫度條件下，邊攪拌邊熔融，熔制12小時(shí)制成玻璃，在1500°C下再熔融4小時(shí)以上，把單孔拉絲坩堝溫度降至1360 1380°C后，開(kāi)始拉絲，拉制成直徑為8 9μπι的連續(xù)纖 維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度玻璃纖維。一種高強(qiáng)度玻璃纖維，包括下述組分制成SiO253～57wt%、Al2O323～26wt%、MgO11.5～14.5wt%、B2O32～4wt%、Fe2O30.2～1.0wt%、CeO20.2～1.0wt%、Li2O0.2～0.8wt%、TiO20～1wt%，ZrO2、Y2O3及其它化合物，ZrO2、Y2O3及其它化合物總量小于1wt%。該高強(qiáng)度玻璃纖維的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械性能好即單絲拉伸強(qiáng)度達(dá)到4540～4720MPa、拉伸彈性模量達(dá)到85～87GPa，玻璃纖維密度與E玻璃相當(dāng)，與傳統(tǒng)E玻璃纖維相比單絲拉伸強(qiáng)度提高30%以上、拉伸彈性模量提高18%以上。
文檔編號(hào)C03C13/02GK103172267SQ20131012181
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者徐時(shí)清, 孫杏國(guó), 王煥平, 趙士龍, 李兵鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院