一种高弹性模量玻璃纤维组合物及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高弹性模量玻璃纤维组合物及其制备方法，属于无机非金属材料技术领域。上述高弹性模量玻璃纤维组合物由以下组分组成：SiO

【技术实现步骤摘要】
一种高弹性模量玻璃纤维组合物及其制备方法
本专利技术涉及无机非金属材料
，特别是指一种高弹性模量玻璃纤维组合物及其制备方法。
技术介绍
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％。该专利技术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％；ZnO0-2.0wt％；ZrO20-2.0wt％；Fe2O30.1wt％-0.6wt％；CaO9.2wt％-11wt％；MgO9wt％-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。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高弹性模量玻璃纤维组合物及其制备方法；本专利技术玻璃纤维组合物能够有效降低玻璃析晶速率，在保证较高拉伸强度的基础上具有较高的弹性模量，达到105GPa，适合规模化生产。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种高弹性模量玻璃纤维组合物，由以下重量百分比组分组成：SiO254-57wt％；Al2O314-18wt％；CaO12-18wt％；MgO5-10.5wt％；Ce2O31-4.2wt％；Yb2O30.5-3.5wt％；ZrO20.2-0.5wt％；BaO0.1-0.5wt％；R2O0.7-1.0wt％。优选的，上述高弹性模量玻璃纤维组合物由以下重量百分比组分组成：SiO255-56wt％；Al2O315-18wt％；CaO14-16wt％；MgO6-8wt％；Ce2O32.3-4.2wt％；Yb2O31-3.5wt％；ZrO20.2-0.5wt％；BaO0.3-0.5wt％；R2O0.8-0.9wt％。进一步的，所述R2O为Na2O、K2O与Li2O的混合物；其中Li2O占R2O总重量的50-60%。进一步的，所述CaO、Al2O3和MgO的重量比为1:0.88-1.5:0.33-0.78；Ce2O3和Yb2O3的重量比为1:0.12-0.94。优选的，所述CaO、Al2O3和MgO的重量比为1:1-1.5:0.5-0.78；Ce2O3和Yb2O3重量比为1:0.8-0.94。另一方面，本专利技术还提供一种上述高弹性模量玻璃纤维组合物的制备方法，按比例称取原料，投入玻璃熔炉内，进行玻璃化、熔融处理，然后进行纺丝成型，得到玻璃纤维。优选的，所述熔融温度为1300-1400℃。优选的，所述纺丝温度为1200-1300℃，纺丝温度与液相温度的温度差△T为30-80℃。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术中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。本专利技术在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，从而提高弹性模量和拉伸强度，降低析晶倾向。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、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。本专利技术中，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。本专利技术提供一种高弹性模量玻璃纤维组合物及其制备方法，具体实施例如下。实施例1按照表1中实施例1配方称取原料，投入玻璃熔炉内，进行玻璃化、1300-1400℃熔融处理，然后温度为1200-1300℃进行纺丝成型，得到玻璃纤维。并对制备的玻璃纤维进行性能检测，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，投入玻璃熔炉内，进行玻璃化、1300-1400℃熔融处理，然后温度为1200-1300℃进行纺丝成型，得到玻璃纤维。并对制备的玻璃纤维进行性能检测，结果见表2。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<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高弹性模量玻璃纤维组合物，其特征在于，由以下重量百分比组分组成：/nSiO

【技术特征摘要】
1.一种高弹性模量玻璃纤维组合物，其特征在于，由以下重量百分比组分组成：
SiO254-57wt％；
Al2O314-18wt％；
CaO12-18wt％；
MgO5-10.5wt％；
Ce2O31-4.2wt％；
Yb2O30.5-3.5wt％；
ZrO20.2-0.5wt％；
BaO0.1-0.5wt％；
R2O0.7-1.0wt％；
所述R2O为Na2O、K2O与Li2O的混合物；其中Li2O占R2O总重量的50-60%。


2.根据权利要求1所述的高弹性模量玻璃纤维组合物，其特征在于，由以下重量百分比组分组成：
SiO255-56wt％；
Al2O315-18wt％；
CaO14-16wt％；
MgO6-8wt％；
Ce2O32.3-4.2wt％；
Yb2O31-3.5wt％；
ZrO20.2-0.5wt％；
BaO0.3-0.5wt％；
R2O0.8-0.9wt％。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔宝山，解玉芹，刘兴月，孙凤莹，李成松，
申请(专利权)人：山东墨匠新材料科技有限公司，山东玻纤集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37