一種用于制備玻璃纖維的組合物及其高性能玻璃纖維的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于玻璃纖維材料領(lǐng)域，涉及一種用于制備玻璃纖維的組合物及其高性能 玻璃纖維。
【背景技術(shù)】
[0002] 玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，它具有電絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐 蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前樹(shù)脂基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的增強(qiáng)基材，使用比 例超過(guò)了 90%。
[0003] 隨著玻璃纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，工業(yè)上對(duì)玻璃纖維的性能要求也在 不斷提高，特別是在軍工、汽車(chē)、航空航天、船舶、大尺寸風(fēng)電葉片等領(lǐng)域，它們對(duì)材料的尺 寸穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐疲勞性能等都有著更嚴(yán)格的要求，因而對(duì)力學(xué)性能強(qiáng)、耐疲勞性能 好、耐腐蝕和電性能優(yōu)異的高性能玻璃纖維的需求也更為迫切。
[0004] 經(jīng)典的高性能玻璃纖維主要是Si02-Al203_Ca0-Mg0和Si02-Al203-Mg0系統(tǒng)玻璃， 如美國(guó)的S系列玻璃，日本的T玻璃和中國(guó)的HS系列玻璃等（E-玻璃、S玻璃、T玻璃、 ECR-玻璃、S-2玻璃等相關(guān)產(chǎn)品的定義、簡(jiǎn)介、技術(shù)和性能，參閱如下文獻(xiàn)記載的現(xiàn)有技術(shù)： 《玻璃纖維標(biāo)準(zhǔn)匯編》，國(guó)家玻璃纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心與全國(guó)玻璃纖維標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委 員會(huì)編寫(xiě)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社第五編輯室出版，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社2008年第一版；《玻璃纖維應(yīng) 用技術(shù)》，姜肇中等主編，北京中國(guó)石化出版社2004年第一版；《玻璃纖維與礦物棉全書(shū)》， 張耀明等主編，北京化學(xué)工業(yè)出版社2001年第一版）。
[0005] 這類高性能玻璃纖維具有很好的機(jī)械性能和物理性能，但同時(shí)也都存在著熔化溫 度高、易析晶、成型困難、生產(chǎn)成本高等難題，一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣。
[0006] 因此，為了獲得一種易于工業(yè)化生產(chǎn)的、成本較低的、同時(shí)各項(xiàng)物理性能又能滿足 市場(chǎng)要求的高性能玻璃纖維，各國(guó)的技術(shù)人員也開(kāi)展了大量的相關(guān)研究。
[0007] 發(fā)明專利CN200480015986. 4公開(kāi)了一種具有高的比楊氏模量的玻璃纖維，其 基本組成為：50-65wt% 的Si02,12-20wt% 的A1203, 13-16wt% 的Ca0,6-12wt% 的MgO， 0-3wt% 的Ti02,0-3wt% 的B203,0-lwt% 的F2,0-lwt% 的Fe203,0-2wt% 的K20+Na20。該發(fā) 明提供了一種比楊氏模量可達(dá)35MPa/kg/m3以上的玻璃纖維，具有較好的機(jī)械性能。但正 如其說(shuō)明書(shū)中提到的，該玻璃CaO含量較高（13-16wt% )，其拉絲成型溫度與液相線溫度差 距（即拉絲成型作業(yè)溫度區(qū)間）只有10-50°C。我們知道，在硅鋁酸鹽玻璃體系中，CaO含 量越高，針狀硅灰石析晶的幾率越大，而針狀硅灰石晶體一旦出現(xiàn)，就很難再重新熔化，這 也是它液相線溫度偏高、拉絲成型作業(yè)溫度區(qū)間偏窄的原因。很顯然，這樣過(guò)窄的拉絲成型 作業(yè)范圍對(duì)生產(chǎn)是非常不利的，稍微控制不好，極易出現(xiàn)析晶問(wèn)題，影響拉絲運(yùn)轉(zhuǎn)率。
[0008] 發(fā)明專利W0200580043075. 7也公開(kāi)了一種具有高的比楊氏模量的玻璃纖維， 其基本組成為：50-65wt% 的Si02,12-20wt% 的A1203, 12-17wt% 的CaO, 6-12wt% 的MgO， 0? 1-0. 8wt% 的Li20,0-3wt% 的Ba0+Sr0,0-3wt% 的Ti02,0-3wt% 的B203,0-lwt% 的F2， 0-lwt%的Fe203,0-2wt%的K20+Na20。該發(fā)明與專利W02004110944非常相似，只是為了降低 液相線溫度，加入了 0.l-o. 8wt%的Li20,另外從其說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例來(lái)看，該發(fā)明總堿含量 也較高，都在1.0%以上。因此，該發(fā)明雖然具有較高的比楊氏模量可和較低的液相線溫度， 但過(guò)高的Li20含量及總堿含量，不僅導(dǎo)致原料成本上升，而且對(duì)玻璃纖維的耐腐蝕性能、電 絕緣性能及耐疲勞性能都有不利影響。
[0009] 專利CN200680041114. 4公開(kāi)了一種高性能玻璃纖維組合物，其基本組成為： 60. 5-70. 5wt% 的Si02,10-24. 5wt% 的Al203,6-20wt% 的R0(Mg0、CaO、SrO、BaO之和）， 0-3wt%的堿金屬氧化物。該發(fā)明玻璃纖維雖然具有較高的拉伸模量（可達(dá)12. 6KPSI)，但 由于其玻璃組成中R0含量偏低而Si(V#量偏高，使得這種玻璃纖維成型溫度（2500°F左 右）過(guò)高，生產(chǎn)非常困難。
[0010] 專利CN200910104239. 2公開(kāi)了 一種高模量玻璃纖維組合物，其基本組成為： 56-64wt% 的Si02,13-20wt% 的A1203,8-13wt% 的CaO, 7-12wt% 的MgO, 0-2. 5wt% 的Ti02， 0-2wt% 的Zr02,0-0? 8wt% 的Li20,0-0? 6wt% 的F2,0-0? 6wt% 的Fe203,0-lwt% 的K20+Na20。 該專利玻璃纖維具有較高的拉伸模量和良好的耐腐蝕性能，但由于其中含有的ZrOjP Li20,使生產(chǎn)成本偏高。
[0011] 美國(guó)發(fā)明專利USPA20100160140公開(kāi)了一種高性能玻璃纖維組合物，其基本組成 為：62-68wt% 的Si02, 22-26wt% 的A1203,8-15wt% 的MgO,l-2wt% 的Li20。據(jù)稱這種玻璃 纖維的拉伸模量可達(dá)12. 8KPSI(約為88. 3GPa)，但過(guò)高的SiOjPA1 203含量使其成型溫度 極高，基本都超過(guò)2600°F(約為1427°C)，而且析晶溫度也偏高，纖維成型會(huì)非常困難。
[0012] 總的來(lái)看，雖然人們?cè)谔岣卟ＡЮw維機(jī)械性能方面已經(jīng)做了大量努力，也取得了 很大的進(jìn)展，但要想實(shí)現(xiàn)玻璃纖維機(jī)械性能優(yōu)異的同時(shí)還要保證可以較經(jīng)濟(jì)地規(guī)?；?產(chǎn)，目前仍面臨一些問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 根據(jù)上述領(lǐng)域的需求和不足，本發(fā)明提供一種用于制備玻璃纖維的組合物以及高 性能玻璃纖維，本發(fā)明的玻璃纖維易于工業(yè)化生產(chǎn)，并具有良好綜合物理性能、成型性能等 機(jī)械性能以及良好的耐腐蝕性能、電絕緣性能及耐疲勞性能。
[0014] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0015] -種用于制備玻璃纖維的組合物，主要由下述重量百分含量的物質(zhì)組成： Si0259-61. 8 %、Al20314-16. 9%、CaO10. 4-12. 9%、MgO7. 6-10. 0 %、Ti020 . 4-1. 9 %、 Fe2030. 1-0. 6 %、Na20、K20 與Li20 的總含量為 0? 3-1. 2 %。
[0016] 優(yōu)選的，Si02的重量百分含量為59. 2-61. 2%。
[0017] 優(yōu)選的，A1203的重量百分含量為14. 5-16. 5%。
[0018] 優(yōu)選的，CaO的重量百分含量為10. 8-12. 8%。
[0019] 優(yōu)選的，MgO的重量百分含量為：8-10%。
[0020] 優(yōu)選的，Ti02的重量百分含量為：0? 5-1. 5%。
[0021] 優(yōu)選的，Li20的含量基本為0。
[0022] 優(yōu)選的，所述組合物主要由下述重量百分含量的物質(zhì)組成：Si0259. 2-61. 2%、 Al20314. 5-16. 5%、CaO10. 8-12. 8%、MgO8-10%、Ti020. 5-1. 5%、Fe2030. 1-0. 6%、Na20、 K20與Li20的總含量為0. 3-1. 2 %。
[0023] 優(yōu)選的，5102、41203、0 &0、1%0摩爾百分比〇11〇1%)含量符合如下比例關(guān)系說(shuō)02: A1203= 6. 1-7. 4；CaO：MgO= 0. 76-1. 19 ；(SiO2+Al203) ： (CaO+MgO) = 2. 39-2. 95〇
[0024] 優(yōu)選的，Si02、Al203、Ca0、Mg0摩爾百分比（mol% )符合如下比例關(guān)系：Si02:Al203 =6. 3-6. 9；CaO：MgO= 0. 79-1. 10 ； (Si02+Al203) ： (CaO+MgO) = 2. 55-2. 80〇
[0025] 優(yōu)選的，所述組合物選自如下任一：
[0026] (l)Si0260%、Al20316.5%、CaO12.8%、MgO7.8%、和Ti20 1.4%、Fe2030.3%、 Na20+K20 0. 3 %，Si02/Al203摩爾百分比（mol% )為6. 17,CaO/MgO摩爾百分比含量為 1. 179,（Si02+Al203V(Ca0+Mg0)摩爾百分比（mol% )為 2. 73,余量為雜質(zhì)；
[0027] (2)Si0260 .6%、Al20315.8%、CaO12.4%、MgO8.8%、Ti20 1.2%、Fe2030.4%、 Na20+K20 0.7%，Si02/Al203摩爾百分比（mol% )為 6.51，Ca0/Mg0 摩爾百分比（mol% )為 1.01，如02+六1203八0&0+1%0)摩爾百分比〇11〇1%)為2.64，余量為雜質(zhì) ；
[0028] (3)Si0261.2%、Al20314.5%、CaO12.5%、MgO8.9%、Ti20 1.4%、Fe2030.2%、 Na20+K20 0.8%，摩爾百分比（mol% )Si02/Al2037. 16,摩爾百分比（mol% )Ca0/Mg0 1.01， 摩爾百分比（mol% ) (Si02+Al203V(Ca0+Mg0)2. 60 余量為雜質(zhì)；
[0029] (4)Si0261.2%、Al20315.6%、CaO11.6%、MgO9.5%、