[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

本发明提供一种玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料。其中，玻璃纤维组合物各组分的含量以重量百分比表示如下：SiO₂为54.2‑64％，Al₂O₃为11‑18％，CaO为20‑25.5％，MgO为0.3‑3.9％，Na₂O+K₂O为0.1‑2％，TiO₂为0.1‑1.5％，铁氧化物总量为0.1‑1％，其中含有二价铁氧化物(以FeO计)，重量百分比的比值C1＝FeO/(铁氧化物‑FeO)的范围为大于等于0.53，且上述组分的合计含量大于97％。该玻璃纤维组合物具有低成本高吸热率的特点，不仅能提高配合料和玻璃的吸热性，有利于改善熔制情况和降低能耗，还能提高拉丝时玻纤的冷却硬化速率和玻纤强度，还能降低玻璃的气泡数量和液相线温度、改善玻璃的析晶速率，从而提升玻纤成型范围，特别适合用于池窑化生产高性能玻璃纤维。

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。E玻璃是用于生产连续玻璃纤维最常用的玻璃成分。随着科学技术的发展，对玻璃纤维增强复合材料的性能提出越来越高的要求，需要其拥有更好的性能表现。因为含有高含量的硼，传统E玻璃纤维的原料成本高，而且结构骨架比较疏松，机械性能和耐腐蚀性能较差，已经难以满足风力发电叶片、高性能管道和汽车制造等领域的使用要求。

针对传统E玻璃纤维的上述缺点，许多企业科研机构进行了大量研究。国内外公开了一些相关专利，不含硼，如专利US4542106中公开了一种玻璃组合物，虽不含硼，但其中添加大量TiO₂，该方案的原料成本高，且会导致玻璃产生不合适的颜色。专利US08/469836中公开了一种无硼玻璃组成物，以SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO四元组分为主体，基本上不含硫酸盐和氧化钛，但说明书中并没有提及助熔剂取消后如何改善配合料和玻璃熔制、纤维成型难度等的技术方案，这对于实现高效池窑生产来说是困难的。针对如何有效降低玻璃熔制及纤维成型难度的问题，其他专利也提供了一些改进措施，如添加重量百分含量高于3％的ZnO和TiO₂，由于ZnO和TiO₂的价格太高，原料成本大大提高限制了该措施的应用；如添加高含量的MgO并提高碱土金属氧化物总含量，虽能降低玻璃熔制难度，但容易增加玻璃失透的危险，不利于改善纤维成型难度限制了该措施的应用；如添加重量百分含量低于8％的高炉矿渣，高炉矿渣虽能加速配合料的熔化速度，但对玻璃澄清却有一定负面影响，熔制工艺控制难度大限制了该措施的应用。

上述现有技术中，普遍存在生产难度大、成本高的问题，主要表现为配合料熔制难度大，玻璃液的吸热性差，拉丝时玻纤的冷却硬化速率慢，玻璃的成型温度和液相线温度高、析晶速率较快，澄清难度大，玻璃玻纤成型范围△T值小，无法实现低成本高效的大规模池窑生产。

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低成本高吸热率的玻璃纤维组合物，引入铁氧化物，并控制二价铁氧化物和三价铁氧化物的比例，不仅能提高配合料和玻璃的吸热性，有利于改善熔制情况和降低能耗，并强化玻璃液对流；还能提高拉丝时玻纤的冷却硬化速率，有利于减少断丝率，提高玻纤强度；还能降低玻璃的气泡数量和液相线温度、改善玻璃的析晶速率，从而提升玻纤成型范围。因此，本发明所述的玻璃纤维组合物更适于进行低成本大规模池窑生产。

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：

其中，所述铁氧化物中含有二价铁氧化物(以FeO计)，重量百分比的比值C1＝FeO/(铁氧化物-FeO)的范围为大于等于0.53，且上述组分的合计含量大于97％。