[发明专利]高强度玻璃纤维成分

说明书

高强度玻璃纤维成份，属于特种玻璃纤维成份领域。

玻璃纤维是一种性能优良的无机纤维材料，用它增强树脂可以制得性能优良的复合材料。一般无碱玻璃纤维单丝拉伸强度大约在3038～3430MPa，这样的强度还远不能满足诸如火箭发动机壳体、导弹壳体、轻型军事武器，飞机构件等高性能复合材料产品需要。自六十年代以来，各国竞相开发研究出各种成份的高强度玻璃纤维，它们的强度大约在3920～4580MPa以上，用它们制得的复合材料，强度高、质量轻，主要适用于航天、航空、军事武器等方面。

纵观现有的各种高强度玻璃纤维成份，有的成份如美国专利3402055，玻璃成型温度较高，在我国难以进行工业化生产，其液线温度为1471℃，拉丝漏板温度高达1571℃。有的如英国专利1006524，其成份设计不够合理。例如其氧化铝（Al₂O₃）在玻璃中不是最佳紧密堆积状态;氧化锂（Li₂O）引入量过大，不仅提高了成本，而且降低了化学稳定性;它的氧化铁（Fe₂O₃）含量偏少，未能充分发挥它的助熔作用，而且还引入了较多量的有毒物质-氧化锑（Sb₂O₃）作澄清剂，既影响人体健康，又易造成环境污染。

本发明的目的，在于针对上述存在的问题，提出一种合理的高强度玻璃纤维成份设计，它充分利用了我国资源丰富的原料，在保证得到高的玻璃纤维强度的前提下，又考虑到使玻璃纤维成型温度降低，所有原料都不含有毒物质，总体成本较低，适合我国国情，易于在我国进行工业生产。

本发明的技术解决方案是，它由二氧化硅（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃）氧化镁（MgO）、氧化锂（Li₂O）、三氧化二铁（Fe₂O₃）、三氧化二硼（B₂O₃）和氧化铈（CeO₂）组成，它们的成份配比（重量百分比）是：二氧化硅（SiO₂）占50～60%，三氧化二铝（Al₂O₃）23.5～26.5%，氧化镁（MgO）10～19%，氧化锂（Li₂O）0～1.0%，三氧化二铁（Fe₂O₃）0.5～1.5%，三氧化二硼（B₂O₃）0～4%，氧化铈（CeO₂）0.5～8.0%。

在SiO₂-Al₂O₃-MgO玻璃系统中，随着Al₂O₃含量的增加，玻璃结构致密，玻璃纤维强度随之提高，但超过26.5%以后由于Al₂O₃配位数的改变，反而使玻璃结构松弛，造成强度降低，因此合理的设计Al₂O₃的最高含量不应超过26.5%。

Li₂O引入量不宜过大，因为过量的Li₂O容易破坏玻璃结构中的硅结构Si-O-Si键而形成Si-O-Li键，这样就造成了玻璃微裂纹增多，强度下降，而且碳酸锂（Li₂CO₃）原料价格昂贵，明显地提高了成本。

Fe₂O₃的引入有利于玻璃的熔制，改善析晶性能，在全电熔熔制高强玻璃过程中，较多量的Fe₂O₃将能保证玻璃熔制质量的均匀，从而保证玻璃的高强度。

为了确保玻璃液的澄清质量，充分均化玻璃，排除玻璃中气泡，成份中还加入了我国资源丰富的稀土澄清剂-CeO₂，它不仅在高温下具有良好的澄清作用，且无毒。

采用本发明的高强度玻璃纤维成份熔制的玻璃纤维，其单丝拉伸强度高达4363～5047MPa，比无碱玻璃纤维高44～66%，玻璃的液线温度为1340～1370℃，拉丝漏板温度小于1450℃，不含有毒物质。其比重小与树脂相容性好，价格低。

实施例

按上表所列各配方的化学组成计算出各种原料所需用量。如配制100kg例1玻璃需准确称取56.11kg石英粉（含SiO₂为98%左右）14.48kg氧化镁（工业纯）27.08kg氧化铝（工业纯）7.65kg硼酸（工业纯）0.78kg铁红粉（工业纯）2.77kg碳酸锂（工业纯）以及1.50kg氧化铈（工业纯）。先将碳酸锂、铁红粉、氧化铈、三种小料预混合，再同其它原料放在玻璃混料机中充分混合均匀，制成玻璃配合料，将此配合料加入全电熔的窑炉中，熔制温度1560℃以上，熔制好的玻璃经过充分均化制成玻璃球或料块，用此料块在1500℃以上借助铂铑合金漏板拉制成高强玻璃纤维使用。