[发明专利]一种玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃纤维组合物，尤其涉及一种能作为先进复合材料增强基材的高性能玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料。

背景技术

玻璃纤维属于无机纤维材料，用它增强树脂可制得性能优良的复合材料。高性能玻璃纤维作为先进复合材料的增强基材，最初主要应用于航空、航天、兵器等国防军工领域。随着科技的进步及经济的发展，高性能玻璃纤维在民用、工业领域如电机、风力叶片、压力容器、海上石油管道、体育器材、汽车行业得到了广泛应用。

自从美国欧文斯科宁公司(简称OC公司)开发出S-2玻璃纤维后，各国竞相开发生产各种成分的高性能玻璃纤维，如法国圣戈班公司开发的R玻璃纤维、美国OC公司开发的HiPer-tex玻璃纤维、中国南京玻璃纤维研究设计院开发的高强2#玻璃纤维等。最初的高性能玻璃成分以MgO-Al₂O₃-SiO₂系统为主体，典型方案如美国OC公司的S-2玻璃，不过它的生产难度过大，成型温度高达1571℃左右，液相线温度达到1470℃，难于实现大规模工业化生产。OC公司主动放弃了生产S-2玻璃纤维，将其专利权转让给了美国AGY公司，后者一直致力于小规模生产S型玻璃纤维及其改进产品。

随后，为了降低玻璃的熔化温度及成型温度使其能更好地满足规模化池窑生产的要求，国外各大公司陆续开发了以MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂系统为主体的高性能玻璃，典型方案如法国圣戈班公司的R玻璃和美国OC公司的HiPer-tex玻璃，这是一种以牺牲部分玻璃性能换取生产规模的折衷策略，不过由于设计方案过于保守，尤其是将Al₂O₃含量保持在20％以上，优选25％，造成生产难度依然很高，虽然实现了小规模的池窑化生产，但生产效率低下、产品性价比不高。因此，OC公司也放弃了生产HiPer-tex玻璃纤维，将其专利权转让给了欧洲3B公司。2007年前后，由于OC公司和圣戈班公司的玻纤业务合并成立OCV公司，R玻璃纤维的核心技术也相应转让给了OCV公司。传统的R玻璃成型困难，成型温度达到1410℃左右，液相线温度达到1330℃，这也造成玻璃纤维拉制上的困难，同样难于实现大规模工业化生产。

另外，还有一种改良的R玻璃纤维，这种玻璃纤维具有比传统E玻璃纤维高得多的强度及模量，熔化和拉制状态也优于传统R玻璃纤维，但是该玻璃的析晶风险较大，同时由于Li₂O的引入量过大，不仅降低玻璃的化学稳定性，而且大幅提高了原料成本，也不利于大规模工业化生产。

高强2#玻璃纤维的主要成分也包括SiO₂、Al₂O₃、MgO，同时还引入了部分Li₂O、B₂O₃、CeO₂和Fe₂O₃，它也具有较高的强度及模量，且其成型温度只有1245℃左右，液相线温度为1320℃，两者的温度均比S玻璃纤维低得多，但其成型温度比液相线温度低却不利于玻璃纤维的良好拉制，必须提高拉丝温度，采用特殊形式的漏嘴，以防止拉丝过程中发生玻璃失透现象，这造成温度控制上的困难，也难于实现大规模工业化生产。

出于生产方式的限制，即由于不能实现池窑的规模化生产，现阶段高性能玻璃纤维的制造成本和售价都非常昂贵，产量因此受到严重制约，其用途仅限于航空、航天，以及国防军工等领域，不能够全面满足诸如大功率风力发电叶片、高压管道、压力容器等新型行业对高性能玻璃纤维的大量需求。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种高性能玻璃纤维组合物，该玻璃纤维组合物在拥有高力学性能的基础上，克服了传统高性能玻璃纤维成型温度高、液相线温度高，玻璃液澄清均化困难，难于进行大规模生产的问题，极大地提高了玻璃液的质量，同等条件下大幅降低了玻璃中的气泡数量，同时具有异常出色的玻璃折射率，大大提高了玻纤制品的通透性。

根据本发明的一个方面，提供一种玻璃纤维组合物，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：