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TWI860830B - 低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料 - Google Patents

低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料 Download PDF

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TWI860830B TW112133447A TW112133447A TWI860830B TW I860830 B TWI860830 B TW I860830B TW 112133447 A TW112133447 A TW 112133447A TW 112133447 A TW112133447 A TW 112133447A TW I860830 B TWI860830 B TW I860830B
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邢文忠
曹國榮
姚忠華
柴雲峰
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大陸商巨石集團有限公司
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Abstract

本文提供一種低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料。其中,玻璃纖維組合物各組分的含量以重量百分比表示如下:SiO 258.1~61.9%,Al 2O 3>19.8%且≤ 23%,MgO 9.6~12.7%,CaO 4.1~7.9%,SrO+Li 2O 0.05~2.2%,SrO 0~2%,Li 2O 0~0.39%,Na 2O 0.05~1.0%,R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O 0.2~1.6%,Fe 2O 30.05~1%,TiO 20.01~2%,B 2O 30~2%,ZrO 20~2%,SiO 2+Al 2O 378~84%,且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+ Li 2O)的範圍為大於等於7.05,C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。該玻璃纖維組合物具有低密度、高模量的特性,擁有更高的比模量和比強度,輕量化水平更優,且成本方面更具優勢,還能改善玻璃析晶溫度及速率,擴大玻纖成型範圍,有利於降低生產難度、提高效率,適合用於大規模池窯生產輕量化的高性能玻璃纖維。

Description

低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料
本申請涉及一種玻璃纖維組合物,尤其涉及一種能作為先進複合材料增強基材的低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料。
玻璃纖維屬於無機纖維材料,用其增強樹脂可製得性能優良的複合材料。高性能玻璃纖維作為先進複合材料的增強基材,最初主要應用於航空、航太、國防軍工、體育器材等領域。隨著科技進步及經濟發展,高性能玻璃纖維在風力葉片、汽車製造、高壓容器、電子通訊、建築建材、管道等民用工業領域得到廣泛應用。為了積極推動全球的碳達峰、碳中和,風電行業的葉片大型化、輕量化需求不斷提升,對玻璃纖維開發提出了新的要求;追求更高的模量和強度、更低的密度,更好的比模量和比強度,更優的成型性能,更低的成本和生產風險,並實現大規模池窯生產,有效兼顧提升高性能玻璃纖維的性能、性價比和輕量化水平成為一項迫切的任務。
S玻璃是最早的高性能玻璃之一,其成分以MgO-Al 2O 3-SiO 2系統為主體,ASTM(美國材料和試驗協會,American Society for Testing and Materials)國際組織將S玻璃定義為一族主要由鎂、鋁、矽的氧化物組成的玻璃,典型方案如美國開發的S-2玻璃。S-2玻璃中SiO 2和Al 2O 3的重量百分比合量達90%,其中SiO 2和Al 2O 3的含量分別約為65%和25%,MgO約為10%,玻璃熔製溫度高、難度大,玻璃成型溫度高達1571℃,液相線溫度高達1470℃。這不僅使玻纖成型困難,而且由於缺乏足夠游離氧,導致大量鋁離子只能與鎂離子一起填充在網絡空隙,大大增加了玻璃析晶風險,同時結晶時由於缺乏有效競爭導致單一晶相析晶傾向強烈,析晶溫度高、速率快。這些因素使得S-2玻纖的生產難度過大,不僅無法實現規模化池窯生產,甚至難於進行一步法玻纖生產,導致S-2玻纖的生產規模小、效率低、成本高,無法滿足大規模產業化的應用要求。
法國公司開發過一種以MgO-CaO-Al 2O 3-SiO 2系統為主體的R玻璃,涉及專利FR1435073A,但是傳統R玻璃的氧化鋁含量過高,矽鋁總量、鹼土金屬氧化物總量及其比例設計不合理,造成玻璃成型困難、析晶風險大,其成型溫度達1410℃,液相線溫度達1350℃,而且玻璃析晶速率快。這些因素使得傳統R玻纖難於實現大規模池窯生產。同時,公開資料顯示,傳統R玻纖的模量不及90GPa(帕斯卡),性價比和競爭力較低。
日本專利JP8231240公開了一種玻璃纖維組合物,按重量百分比含量計,含有62~67%的SiO 2,22~27%的Al 2O 3,7~15%的MgO,0.1~1.1%的CaO,0.1~1.1%的B 2O 3等。相對於S玻璃,該組合物的氣泡數量有所改善,但是成型仍然非常困難,成型溫度超過1460℃,不利於實現大規模池窯生產。
中國專利CN108609859A公開了一種高模量玻璃纖維組合物,按重量百分比含量計,含有53-55.9%的SiO 2,21.1-23.9%的Al 2O 3,9.9-11.8%的MgO,8.2-9.9%的CaO,76.5-79%的SiO 2+Al 2O 3,0.38-0.45的比值Al 2O 3/SiO 2等。該組合物中由於氧化矽含量過低,鋁矽比偏高,氧化鈣含量偏高,使得玻璃密度偏高,成型溫度偏低,液相線溫度高,成型範圍△T值小,不利於玻璃纖維成型及輕量化水平提升。
本申請的主要目的在於提供一種低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料,該玻璃纖維組合物具有低密度、高模量的特性,擁有更高的比模量和比強度,輕量化水平更優,且成本方面更具優勢,還能改善玻璃析晶溫度及速率,擴大玻纖成型範圍,有利於降低生產難度、提高效率,適合用於大規模池窯生產輕量化的高性能玻璃纖維。
根據本申請的一個方面,提供一種低密度高性能玻璃纖維組合物,所述玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                            9.6~12.7% CaO                                             4.1~7.9% SrO+Li 2O                                   0.05~2.39% SrO                                              0~2% Li 2O                                              0~0.39% Na 2O                                             0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O        0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。
其中,進一步限定重量百分比的比值C4=SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.64。
其中,進一步限定重量百分比的比值C5=(SiO 2+Al 2O 3)/(CaO+R 2O)的範圍為大於等於8.8。
其中,進一步限定重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25。
其中,進一步限定重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50。
其中,進一步限定CaO的含量,以重量百分比表示為4.1~6.9%。
其中,進一步限定SrO的含量,以重量百分比表示為0.05~2%。
其中,所述玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.4~61.5% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                       9.6~12.7% CaO                                        4.1~7.5% SrO+Li 2O                               0.05~2.39% SrO                                         0~2% Li 2O                                        0~0.39% Na 2O                                       0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O          0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378.3~84.5% CaO+MgO+R 2O                    ≤21.8%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.45,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.30,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.60。
其中,進一步限定Li 2O的含量,以重量百分比表示為0.01~0.35%。
其中,所述玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                           9.6~12.7% CaO                                            4.1~7.9% SrO+Li 2O                                   0.05~2.35% SrO                                             0.01~2% Li 2O                                            0.01~0.35% Na 2O                                           0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O            0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。
其中,進一步限定SiO 2的含量,以重量百分比表示為58.4~60.45%。
其中,進一步限定Al 2O 3的含量,以重量百分比表示為大於19.8%且小於等於20.45%。
其中,所述玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.8~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                               9.6~12.5% CaO                                                4.1~6.9% SrO+Li 2O                                       0.05~2.39% SrO                                                 0~2% Li 2O                                                0~0.39% Na 2O                                                  0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 3>78.6%且≤ 83.45%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.40。
其中,進一步限定該組合物的SiO 2、Al 2O 3、MgO和CaO的合計含量小於99%。
其中,所述玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.8~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                            10~12.5% CaO                                             4.1~6.9% SrO+Li 2O                                    0.05~2.39% SrO                                              0.05~2% Li 2O                                             0~0.39% Na 2O                                            0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O             0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 3>78.6%且≤ 83.45% CaO+MgO+R 2O                          ≤ 20.75%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.40,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.74。
其中,進一步限定該組合物不含Li 2O。
其中,進一步限定該組合物不含稀土氧化物。
其中,進一步限定該組合物的玻璃密度小於2.60g/cm 3
根據本申請的另一個方面,提供一種玻璃纖維,所述玻璃纖維由上述的玻璃纖維組合物製成。
根據本申請的第三方面,提供一種複合材料,所述複合材料包括上述的玻璃纖維。
本申請的玻璃纖維組合物的主要創新點在於:適當提高SiO 2、Al 2O 3含量並控制SiO 2+Al 2O 3總量及比例,適當降低鹼土金屬氧化物總量並控制比例,優選引入適量SrO+Li 2O,精確控制SiO 2/(CaO+Li 2O)、(R 2O+SrO)/Al 2O 3、(MgO+SrO)/CaO、SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)和(SiO 2+Al 2O 3)/(CaO+R 2O)等比值,並進一步控制Na 2O+K 2O+Li 2O和CaO+MgO+R 2O等總量。通過上述特定組成及比例控制,第一方面,可以提高矽離子與鋁離子、氧離子之間的協同效應,控制氧矽比和氧鋁比,控制鹼金屬、鹼土金屬等網絡外體離子總量及比例,得到更優的結構堆積效果,不僅能提高玻璃模量,還能降低密度,從而提高比模量,有效提升玻纖的輕量化水平;第二方面,可以控制玻璃在失透時形成堇青石、鈣長石、頑火輝石等混合結晶狀態,避免單一晶相佔絕對主導作用,多種晶相在合適比例下的競爭生長能有效抑制離子的重組排列,從而有效降低玻璃失透風險及析晶速率;第三方面,可以適當控制玻璃成型溫度,擴大玻纖成型範圍,且成本更具優勢,適合用於池窯化生產輕量化的高性能玻璃纖維。
具體來說,根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,且各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                                 9.6~12.7% CaO                                                  4.1~7.9% SrO+Li 2O                                         0.05~2.39% SrO                                                   0~2% Li 2O                                                   0~0.39% Na 2O                                                  0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                   0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。
該玻璃纖維組合物中各組分的作用及含量說明如下:
SiO 2是玻璃網絡生成體氧化物,是形成玻璃骨架的主體,可以起到穩定各組分的作用,還能提高玻璃的機械性能和化學穩定性。本申請的玻璃纖維組合物中,限定SiO 2的重量百分比含量範圍為58.1~61.9%。為了保證擁有優異的機械性能,並獲得較低的密度和較高的比模量,氧化矽含量不低於58.1%;為了防止玻璃黏度和液相線溫度過高,導致玻璃難於熔製及規模化生產,氧化矽含量不高於61.9%,這明顯區別於S玻璃。優選地,SiO 2的重量百分比含量範圍可以限定為58.4~61.5%。優選地,SiO 2的重量百分比含量範圍可以限定為58.4~60.45%。優選地,SiO 2的重量百分比含量範圍可以限定為58.8~60.45%。更優選地,SiO 2的重量百分比含量範圍可以限定為59.15~60.45%。
Al 2O 3是玻璃網絡中間體氧化物,存在多種配位數的轉變,也是形成玻璃骨架的氧化物之一,與SiO 2結合可對玻璃的機械性能起到實質性作用,並且在影響玻璃析晶、耐酸腐蝕等方面起著重要作用。為了玻璃能獲得足夠高的模量、比模量等性能,希望提高Al 2O 3含量,但Al 2O 3含量太高會使玻璃易於析晶甚至分相,會使玻璃黏度過高導致熔化澄清困難。本申請的玻璃纖維組合物中,限定Al 2O 3的重量百分比含量範圍為大於19.8%且小於等於23%。優選地,Al 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為大於19.8%且小於等於22.5%。優選地,Al 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為19.85~22.2%。優選地,Al 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為19.9~21.9%。更優選地,Al 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為19.9~21%。
本申請的玻璃纖維組合物中,限定SiO 2+Al 2O 3的合計含量為78~84%。優選地,SiO 2+Al 2O 3的合計含量可以限定為78.3~84%。優選地,SiO 2+Al 2O 3的合計含量可以限定為78.3~83.3%。更優選地,SiO 2+Al 2O 3的合計含量可以限定為大於79%且小於等於83.3%。通過精確控制SiO 2、Al 2O 3的含量、總量及其比例,不僅可以獲得足夠高的玻璃模量,還能降低玻璃密度和析晶風險,擴大成型範圍,有利於實現規模化池窯生產。
CaO是玻璃網絡外體氧化物,主要在提高玻璃化學穩定性、控制玻璃析晶、調節玻璃黏度和料性等方面起到實質作用。發明人通過研究發現,在鹼金屬含量偏低、游離氧數量偏少的玻璃體系中,鈣離子可以更有效地給鋁離子提供游離氧而改變鋁氧配位,而高含量的鎂離子在填充網絡空隙的同時更傾向於把氧離子控制在自己周圍。本申請的玻璃纖維組合物中,限定CaO的重量百分比含量範圍為4.1~7.9%。鈣離子在填充網絡空隙的同時可以提供大量游離氧,並與鎂離子/鍶離子等在一定比例下形成混合協同效應,有利於獲得緊密的結構堆積效果,也有利於在玻璃析晶時形成堇青石(Mg 2Al 4Si 5O 18)、鈣長石(CaAl 2Si 2O 8)、頑火輝石(Mg 2Si 2O 6)等混合結晶狀態,從而達到抑制析晶的效果,還有助於改善玻璃料性、提高玻纖成型速度。但是,為了獲得較低的密度和較高的機械性能,在高含量MgO的基礎上,CaO的引入量不宜超過7.9%。同時,CaO的引入量也不應低於4.1%,因為過低的CaO含量,無法提供大量游離氧,也無法在玻璃析晶時產生足夠的鈣長石與堇青石等形成有效競爭。優選地,CaO的重量百分比含量範圍可以限定為4.1~7.5%。優選地,CaO的重量百分比含量範圍可以限定為4.1~6.9%。優選地,CaO的重量百分比含量範圍可以限定為4.7~6.9%。更優選地,CaO的重量百分比含量範圍可以限定為5.3~6.9%。
MgO是玻璃網絡中間體氧化物,主要在提高玻璃模量、控制玻璃析晶、調節玻璃黏度和料性等方面起到實質作用。發明人通過研究發現,在鹼金屬含量偏低、氧化鋁含量較高的玻璃體系中,通常以[MgO 6]八面體的形式位於玻璃骨架網絡外,在[AlO 4]周圍起到電價平衡作用,但當玻璃中游離氧的數量發生明顯變化時會對鎂離子的配位數產生影響。本申請的玻璃纖維組合物中,限定MgO的重量百分比含量範圍為9.6~12.7%。優選地,MgO的重量百分比含量範圍可以限定為9.6~12.5%。優選地,MgO的重量百分比含量範圍可以限定為10~12.5%。更優選地,MgO的重量百分比含量範圍可以限定為10~12%。
SrO是玻璃網絡外體氧化物,主要在控制玻璃析晶、提高玻璃機械性能和光學性能、調節玻璃黏度等方面起到實質作用。本申請的玻璃纖維組合物中,限定SrO的重量百分比含量範圍為0~2%。經大量實驗研究表明,本申請的組合物中可以引入適量SrO,通過合理控制多種鹼土金屬氧化物的含量、總量及比值,CaO、MgO和SrO三元混合鹼土效應的效果比CaO和MgO二元混合鹼土效應有顯著提升,結構更容易形成緊密堆積,從而使玻璃的析晶性能、力學性能和光學性能等方面更優異。由於Mg 2+、Ca 2+、Sr 2+的離子半徑依次變大、離子場強依次變小,為了實現結構的緊密堆積,三種離子的數量級配顯得很重要。優選地,SrO的重量百分比含量範圍可以限定為0.01~2%。優選地,SrO的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~2%。更優選地,SrO的重量百分比含量範圍可以限定為0.2~1.5%。
Na 2O是玻璃網絡外體氧化物,作為玻璃助熔劑,能起斷網作用,降低玻璃黏度、改善玻璃熔製,還能有效提供游離氧,但Na 2O的引入也會導致玻璃機械性能、化學穩定性和熱穩定性降低。因此,本申請的低密度高性能玻璃纖維組合物體系中Na 2O的引入量不宜過多。本申請的玻璃纖維組合物中,限定Na 2O的重量百分比含量範圍為0.05-1.0%。優選地,Na 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~0.8%。優選地,Na 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~0.65%。更優選地,Na 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~0.5%。K 2O是玻璃網絡外體氧化物,也可以起到斷網作用,但降低玻璃黏度的作用略低於Na 2O,還能有效降低表面張力,增加玻璃透明度。與Na 2O配合使用,在一定比例下會產生混合堿效應,有利於獲得更好的玻璃離子堆積效果,但K 2O含量過高也會影響玻璃的化學穩定性和熱穩定性,因此引入量也不宜多。本申請的玻璃纖維組合物中,進一步地,可以限定K 2O的重量百分比含量範圍為0.05~0.8%。更優選地,K 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.1~0.6%。
Li 2O是玻璃網絡外體氧化物,它在玻璃中的作用比較特殊。當氧矽比較小時,主要起斷鍵作用,可以顯著降低玻璃黏度,改善玻璃熔製性能;當氧矽比較大時,由於鋰離子半徑小於鈉鉀離子,離子場強大,主要起積聚作用;同時,少量Li 2O還能提供可觀的游離氧,有利於更多的鋁離子形成四面體配位,增強玻璃網絡結構,提高玻璃性能、改善玻璃析晶。但是,由於鋰原料價格高,太多的Li 2O會導致成本過高,顯著影響產品的價格和性價比,而且容易大幅降低玻璃黏度,反而縮小玻纖成型範圍,不利於規模生產及產業化應用;同時,高鋰玻璃的化學穩定性也會有所降低。因此,本申請的玻璃纖維組合物中,限定Li 2O的重量百分比含量範圍為0-0.39%。根據不同的技術要求,在一項技術方案中,優選地,Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.01~0.35%;優選地,Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.01~0.25%;更優選地,Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.01~0.2%。在另一項技術方案中,優選地,Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0~0.35%;更優選地,Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0~0.2%。進一步地,為了降低生產成本、擴大成型範圍,本申請的玻璃纖維組合物中可以不含Li 2O。
為了兼顧控制玻璃析晶、玻璃密度、成本及提供游離氧的目的,靈活發揮氧化鍶和氧化鋰的組合優勢,本申請的玻璃纖維組合物中,限定SrO+Li 2O的重量百分比含量範圍為0.05~2.2%。優選地,SrO+Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.1~2%。優選地,SrO+Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.2~2%。更優選地,SrO+Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.2~1.5%。
本申請的玻璃纖維組合物中,限定Na 2O+K 2O+Li 2O的重量百分比含量範圍為0.2~1.6%。優選地,Na 2O+K 2O+Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.2~1.35%。優選地,Na 2O+K 2O+Li 2O的重量百分比含量範圍可以限定為0.25~1%。更優選地,Na 2O+K 2O+Li 2O的重量百分比含量範圍為0.25~0.8%。
為了保證玻璃性能、降低密度及控制氧矽比,本申請的玻璃纖維組合物中,限定重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05。優選地,重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍可以限定為大於等於7.45。優選地,重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍可以限定為大於等於8.25。優選地,重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍可以限定為8.25~12.30。更優選地,重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍可以限定為8.30~11.60。
為了控制玻璃析晶、密度及氧鋁比,考慮Al 3+離子對游離氧的需求,促使更多的鋁離子形成鋁氧四面體,以增強玻璃網絡結構、提高玻璃性能、抑制玻璃析晶,本申請的玻璃纖維組合物中,限定重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012。優選地,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍可以限定為大於等於0.015~0.10。優選地,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍可以限定為0.02~0.085。更優選地,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍可以限定為0.02~0.065。
為了提高玻璃性能、控制玻璃析晶,本申請的玻璃纖維組合物中,限定重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。優選地,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍可以限定為大於等於1.30。優選地,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍可以限定為大於等於1.40。優選地,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍可以限定為大於1.50。更優選地,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍可以限定為大於1.50且小於等於2.50。
進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中,可以限定重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.60。優選地,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍可以限定為大於等於2.64。優選地,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍可以限定為大於等於2.74。更優選地,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍可以限定為大於等於2.80。
進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中,可以限定重量百分比的比值C5=(SiO 2+Al 2O 3)/(CaO+R 2O)的範圍為大於等於8.8。優選地,重量百分比的比值C5=(SiO 2+Al 2O 3)/(CaO+R 2O)的範圍可以限定為大於等於9.4。優選地,重量百分比的比值C5=(SiO 2+Al 2O 3)/(CaO+R 2O)的範圍可以限定為9.8~15.0。更優選地,重量百分比的比值C5=(SiO 2+Al 2O 3)/(CaO+R 2O)的範圍可以限定為10.3~14.5。
進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中,可以限定重量百分比的比值C6=(Na 2O+K 2O)/R 2O的範圍為大於等於0.40。優選地,重量百分比的比值C6=(Na 2O+K 2O)/R 2O的範圍可以限定為大於等於0.50。更優選地,重量百分比的比值C6=(Na 2O+K 2O)/R 2O的範圍可以限定為大於等於0.55。
進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中,可以限定CaO+MgO+R 2O的重量百分比含量範圍為小於等於20.3%。優選地,CaO+MgO+R 2O的重量百分比含量範圍可以限定為小於等於19.6%。優選地,CaO+MgO+R 2O的重量百分比含量範圍可以限定為小於等於19.2%。更優選地,CaO+MgO+R 2O的重量百分比含量範圍可以限定為16-19.2%。
Fe 2O 3有利於玻璃的熔製,也能改善玻璃的析晶性能。但由於鐵離子和亞鐵離子具有著色作用,故引入量不宜多。因此,本申請的玻璃纖維組合物中,限定Fe 2O 3的重量百分比含量範圍為0.05~1%。優選地,Fe 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~0.75%。更優選地,Fe 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為0.1~0.65%。
TiO 2不僅可以降低高溫玻璃黏度,還具有一定的助熔作用。但由於鈦離子與鐵離子結合具有一定的著色作用,會影響玻纖製品的外觀,故含量也不宜過多。因此,本申請的玻璃纖維組合物中,限定TiO 2的重量百分比含量範圍為0.01~2%。優選地,TiO 2的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~1.5%。更優選地,TiO 2的重量百分比含量範圍可以限定為0.05~0.7%。
本申請中可以選擇性地引入適量B 2O 3,以進一步降低玻璃密度、改善玻璃析晶。本申請的玻璃纖維組合物中,限定B 2O 3的重量百分比含量範圍為0~2%。優選地,B 2O 3的重量百分比含量範圍可以限定為0~1.5%。根據不同的技術要求,在一項技術方案中,為了提高玻璃的機械性能和化學穩定性,本申請的玻璃纖維組合物中可以基本不含B 2O 3。在另一項技術方案中,在保證性能的基礎上,為了進一步降低玻璃密度,進一步地,可以限定B 2O 3的重量百分比含量範圍為0.1~1.5%。
本申請中可以選擇性地引入適量ZrO 2,以改善玻璃的化學穩定性和耐熱性。本申請的玻璃纖維組合物中,限定ZrO 2的重量百分比含量範圍為0~2%。優選地,ZrO 2的重量百分比含量範圍可以限定為0~1%。根據不同的技術要求,在一項技術方案中,為了控制玻璃密度,本申請的玻璃纖維組合物中可以基本不含ZrO 2,但不排除由含鋯耐火材料以雜質形式帶入的微量氧化鋯。
而且,上述這些組分為本申請的主體組分,限定它們的重量百分比合計含量大於等於98.5%。進一步地,可以限定主體組分的重量百分比合計含量大於等於99%。進一步地,可以限定主體組分的重量百分比合計含量大於等於99.5%。
除了上述主體組分,本申請的玻璃纖維組合物中還可以含有少量其他組分,重量百分比的合計含量小於1.5%。進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中可以包含重量百分比含量範圍小於1%的其他組分。進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中可以包含重量百分比含量範圍小於0.5%的其他組分。進一步地,本申請的玻璃纖維組合物中還可以包含重量百分比含量範圍小於0.5%的F,一般情況下F由玻璃原料以雜質形式帶入。
進一步地,為了控制生產成本和玻璃密度,本申請的玻璃纖維組合物中可以不含稀土氧化物。
進一步地,本申請的玻璃纖維組合物的玻璃密度可以控制在小於等於2.61g/cm 3。優選地,該組合物的玻璃密度小於2.60g/cm 3。優選地,該組合物的玻璃密度小於等於2.59g/cm 3。更優選地,該組合物的玻璃密度小於等於2.58g/cm 3
進一步地,本申請的玻璃纖維組合物的玻纖成型溫度可以控制在小於等於1360℃。優選地,該組合物的玻纖成型溫度範圍為1290~1360℃。優選地,該組合物的玻纖成型溫度範圍為大於1300℃且小於等於1360℃。更優選地,該組合物的玻纖成型溫度為1306-1355℃。
本申請的玻璃纖維組合物中,選擇各組分含量的上述範圍的有益效果將通過實施例給出具體實驗數據進行說明。
下面是根據本申請的玻璃纖維組合物中所包括的各組分的優選取值範圍示例。
優選示例一
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.4~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                              9.6~12.7% CaO                                               4.1~7.5% SrO+Li 2O                                      0.05~2.39% SrO                                                0~2% Li 2O                                               0~0.39% Na 2O                                               0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                 0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378.3~83.45%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.30。
優選示例二
根據本申請的玻璃纖維組合物由下述組分組成,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                              9.6~12.7% CaO                                               4.1~7.9% SrO+Li 2O                                      0.05~2.39% SrO                                                0.01~2% Li 2O                                                0~0.39% Na 2O                                               0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                   0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.64。
優選示例三
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.4~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                           9.6~12.7% CaO                                            4.1~6.9% SrO+Li 2O                                   0.05~2.35% SrO                                             0.01~2% Li 2O                                            0.01~0.35% Na 2O                                           0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O               0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378.3~83.45%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.40。
優選示例四
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                          9.6~12.7% CaO                                           4.1~7.5% SrO+Li 2O                                  0.05~2.39% SrO                                            0~2% Li 2O                                           0~0.39% Na 2O                                          0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                      0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50。
優選示例五
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.4~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                           9.6~12.7% CaO                                            4.1~6.9% SrO+Li 2O                                   0.05~2.39% SrO                                             0~2% Li 2O                                            0~0.39% Na 2O                                            0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O             0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378.3~83.45%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50。
優選示例六
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                      9.6~12.7% CaO                                       4.1~7.9% SrO+Li 2O                              0.05~2.39% SrO                                        0~2% Li 2O                                       0~0.39% Na 2O                                       0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O            0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.60,且該組合物不含稀土氧化物。
優選示例七
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.1~61.9% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                           9.6~12.7% CaO                                            4.1~6.9% SrO+Li 2O                                   0.05~2% SrO                                             0.05~2% Li 2O                                            0% Na 2O                                            0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378~84.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.40,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.60,且SiO 2、Al 2O 3、MgO和CaO的合計含量小於99%。
優選示例八
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.4~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                         9.6~12.7% CaO                                          4.1~7.9% SrO+Li 2O                                 0.05~2.39% SrO                                           0~2% Li 2O                                          0~0.39% Na 2O                                         0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O             0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378.3~83.45%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.60,且該組合物的玻璃密度小於2.60g/cm 3
優選示例九
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.4~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                         9.6~12.5% CaO                                          4.1~6.9% SrO+Li 2O                                 0.05~2.39% SrO                                           0~2% Li 2O                                          0~0.39% Na 2O                                          0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O             0.2~1.6% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 378.3~83.45%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.74。
優選示例十
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.8~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                             10~12.5% CaO                                              4.1~6.9% SrO+Li 2O                                     0.05~2.39% SrO                                               0~2% Li 2O                                              0~0.39% Na 2O                                             0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 3>79%且≤ 83.45% CaO+MgO+R 2O                            ≤ 19.2%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.74。
優選示例十一
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 258.8~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 20.45% MgO                                              10~12.5% CaO                                               4.1~6.9% SrO+Li 2O                                      0.05~2.39% SrO                                                0~2% Li 2O                                               0~0.39% Na 2O                                              0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O                  0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 3>79%且≤ 80.9%
且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50,且SiO 2、Al 2O 3、MgO和CaO的合計含量小於99%。
優選示例十二
根據本申請的玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下: SiO 259.15~60.45% Al 2O 3>19.8%且≤ 23% MgO                                      10~12.5% CaO                                        4.1~6.9% SrO+Li 2O                               0.05~2.39% SrO                                         0.01~2% Li 2O                                        0~0.39% Na 2O                                       0.05~1.0% R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O            0.2~1.35% Fe 2O 30.05~1% TiO 20.01~2% B 2O 30~2% ZrO 20~2% SiO 2+Al 2O 3>79%且≤ 83.45% CaO+MgO+R 2O                     ≤ 19.2%
且上述組分的合計含量大於等於99%,重量百分比的比值C1= SiO 2/(CaO+Li 2O)的範圍為大於等於8.25,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50,重量百分比的比值C4= SiO 2/(Al 2O 3+Li 2O)的範圍為大於等於2.74,且SiO 2、Al 2O 3、MgO和CaO的合計含量小於99%,該組合物的玻璃密度小於2.60g/cm 3
本申請要求在2023年03月29日提交中國專利局、申請號為202310319034.6、發明名稱為“一種低密度高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和複合材料”的中國專利申請的優先權,其全部內容通過引用結合在本申請中。
下面將結合本申請的具體實施例,對本申請的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本申請一部分實施例,而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例,本領域具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬於本申請保護的範圍。需要說明的是,在不衝突的情況下,本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。
本申請的基本思想是,玻璃纖維組合物的各組分含量以重量百分比表示為:SiO 2為58.1~61.9%,Al 2O 3為>19.8%且≤23%,MgO為9.6~12.7%,CaO為4.1~7.9%,SrO+Li 2O為0.05~2.2%,SrO為0~2%,Li 2O為0~0.39%,Na 2O為0.05~1.0%,R 2O=Na 2O+K 2O+Li 2O為0.2~1.6%,Fe 2O 3為0.05~1%,TiO 2為0.01~2%,B 2O 3為0~2%,ZrO 2為0~2%,SiO 2+Al 2O 3為78-84%,且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1=SiO 2/(CaO+ Li 2O)的範圍為大於等於7.05,重量百分比的比值C2=(R 2O+SrO)/Al 2O 3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。該玻璃纖維組合物具有低密度、高模量的特性,擁有更高的比模量和比強度,輕量化水平更優,且成本方面更具優勢,還能改善玻璃析晶溫度及速率,擴大玻纖成型範圍,有利於降低生產難度、提高效率,適合用於大規模池窯生產輕量化的高性能玻璃纖維。
選取本申請的玻璃纖維組合物中SiO 2、Al 2O 3、CaO、MgO、SrO、Na 2O、K 2O、Li 2O、Fe 2O 3、TiO 2等的具體含量值作為實施例,與三個對比實施例的性能參數進行對比。在對比時,選用七個性能參數:
(1)成型溫度,對應於玻璃熔體在黏度為10 3泊(P)時的溫度。
(2)液相線溫度,對應於玻璃熔體冷卻時晶核開始形成的溫度,即玻璃析晶的上限溫度。
(3)△T值,成型溫度與液相線溫度之差,表示拉絲成型的溫度範圍,成型範圍越大,越有利於拉絲。
(4)玻璃模量,表徵玻璃抵抗彈性變形的能力,按ASTM E1876標準測試玻璃塊的彈性模量。
(5)玻璃密度,表徵玻璃的比重及輕量化水平,按ASTM C693標準測試玻璃密度。
(6)比模量,按玻璃的模量與密度之比計算,其中1kg=9.8N換算。比模量越大,材料的剛性愈大,輕量化水平越好。
(7)晶相組成,表徵玻璃結晶物質中主要晶相的組成,可使用XRD對結晶物質進行測試評估。其中,堇青石簡寫為COR,鈣長石簡寫為ANO,頑火輝石簡寫為ENS,透輝石簡寫為DIO,矽灰石簡寫成WOL。
上述七個參數及其測定方法是本領域具有通常知識者所熟知的,因此採用上述參數能夠有力地說明本申請的玻璃纖維組合物的性能。
實驗的具體過程為:各組分可從適當的原料中獲取,按比例將各種原料進行混合,使各組分達到最終的預期重量百分比,混合後的配合料進行熔化並澄清,然後玻璃液通過漏板上的漏嘴被拉出從而形成玻璃纖維,玻璃纖維被牽引繞到拉絲機旋轉機頭上形成原絲餅或紗團。當然,這些玻璃纖維可用常規方法進行深加工以符合預期要求。
下面進一步通過列表的方式,給出本申請玻璃纖維組合物的實施例與對比實施例的性能參數的對比。其中,玻璃纖維組合物的含量以重量百分比表示。需要說明的是,實施例組分總含量略微小於100%,可以理解為殘餘量是微量雜質或不能分析出的少量組分。
表1A
\ A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
組分 SiO 2 60.15 60.00 60.00 60.00 60.00 59.50 58.80
Al 2O 3 19.85 20.00 20.00 20.00 20.30 20.00 20.00
CaO 6.25 6.40 6.40 6.40 5.90 6.90 7.90
MgO 11.70 11.50 11.50 11.85 11.50 11.50 11.30
SrO 0.35 0.35 0.35 0.00 0.50 0.35 0.35
Na 2O 0.35 0.35 0.55 0.35 0.25 0.35 0.35
K 2O 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
Li 2O 0.15 0.20 0.00 0.20 0.25 0.20 0.10
Fe 2O 3 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45
TiO 2 0.40 0.40 0.40 0.40 0.50 0.40 0.40
比值 C1 9.40 9.09 9.38 9.09 9.76 8.38 7.35
C2 0.055 0.058 0.058 0.040 0.062 0.058 0.053
C3 1.93 1.85 1.85 1.85 2.03 1.72 1.47
C4 3.008 2.970 3.000 2.970 2.920 2.946 2.925
C5 11.429 11.111 11.111 11.111 12.075 10.325 9.163
C6 0.800 0.750 1.000 0.750 0.667 0.750 0.857
參數 成型溫度/℃ 1327 1325 1332 1321 1328 1319 1310
液相線溫度/℃ 1229 1231 1240 1237 1237 1227 1223
△T值/℃ 98 94 92 84 91 92 87
玻璃模量/GPa 95.4 95.7 95.2 95.7 96.1 95.5 95.2
玻璃密度/(g/cm 3) 2.579 2.579 2.579 2.578 2.576 2.585 2.596
比模量/(10 5m) 37.75 37.86 37.67 37.88 38.07 37.70 37.42
主要晶相組成 COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS
表1B
\ A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14
組分 SiO 2 60.45 59.90 60.00 60.00 59.50 59.50 58.70
Al 2O 3 19.90 20.30 20.10 20.50 21.00 21.30 22.20
CaO 6.10 6.90 5.90 6.50 6.90 6.70 6.70
MgO 11.60 10.80 12.00 10.70 10.20 10.20 10.20
SrO 0.20 0.40 0.40 0.45 0.50 0.40 0.40
Na 2O 0.40 0.30 0.30 0.40 0.40 0.35 0.25
K 2O 0.25 0.20 0.20 0.25 0.20 0.20 0.20
Li 2O 0.15 0.20 0.20 0.20 0.25 0.25 0.35
Fe 2O 3 0.40 0.40 0.35 0.45 0.45 0.45 0.45
TiO 2 0.45 0.50 0.45 0.45 0.50 0.55 0.45
比值 C1 9.67 8.44 9.84 8.96 8.32 8.56 8.33
C2 0.050 0.054 0.055 0.063 0.064 0.056 0.054
C3 1.93 1.62 2.10 1.72 1.55 1.58 1.58
C4 3.015 2.922 2.956 2.899 2.800 2.761 2.603
C5 11.645 10.553 12.136 10.952 10.387 10.773 10.787
C6 0.813 0.714 0.714 0.765 0.706 0.688 0.563
參數 成型溫度/℃ 1332 1326 1321 1331 1326 1330 1324
液相線溫度/℃ 1233 1231 1246 1238 1246 1252 1258
△T值/℃ 99 95 75 93 80 78 66
玻璃模量/GPa 95.5 95.4 96.3 95.8 95.5 95.8 96.2
玻璃密度/(g/cm 3) 2.574 2.578 2.581 2.574 2.572 2.569 2.564
比模量/(10 5m) 37.86 37.76 38.07 37.98 37.89 38.05 38.29
主要晶相 組成 COR ANO ENS COR ANO ENS COR ENS ANO COR ANO ENS COR ANO COR ANO COR ANO
表1C
\ A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21
組分 SiO 2 61.00 59.50 60.45 59.70 58.40 58.10 61.50
Al 2O 3 19.90 19.85 20.15 20.00 20.10 20.40 20.00
CaO 5.30 6.90 6.10 6.20 7.50 6.90 6.15
MgO 11.60 11.70 11.60 11.10 11.50 11.90 11.00
SrO 0.55 0.40 0.00 1.20 0.40 1.20 0.00
Na 2O 0.20 0.35 0.21 0.55 0.50 0.25 0.30
K 2O 0.40 0.40 0.25 0.25 0.20 0.25 0.20
Li 2O 0.25 0.05 0.39 0.00 0.05 0.10 0.15
Fe 2O 3 0.35 0.40 0.40 0.40 0.55 0.40 0.30
TiO 2 0.35 0.35 0.35 0.50 0.70 0.40 0.30
比值 C1 10.99 8.56 9.31 9.63 7.74 8.30 9.76
C2 0.070 0.060 0.042 0.100 0.057 0.088 0.033
C3 2.29 1.75 1.90 1.98 1.59 1.90 1.79
C4 3.027 2.990 2.943 2.985 2.898 2.834 3.052
C5 13.154 10.305 11.597 11.386 9.515 10.467 11.985
C6 0.706 0.938 0.541 1.000 0.933 0.833 0.769
參數 成型溫度/℃ 1335 1326 1325 1334 1316 1312 1341
液相線溫度/℃ 1244 1234 1233 1235 1230 1244 1235
△T值/℃ 91 92 92 99 86 68 106
玻璃模量/GPa 95.4 95.3 95.7 95.3 95.8 96.5 94.8
玻璃密度/(g/cm 3) 2.574 2.586 2.572 2.587 2.594 2.599 2.565
比模量/(10 5m) 37.82 37.60 37.97 37.59 37.69 37.89 37.71
主要晶相 組成 COR ENS ANO COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS
表1D
\ A22 A23 A24 A25 對比例1 對比例2 對比例3
組分 SiO 2 60.00 60.45 59.85 60.45 59.70 60.18 57.33
Al 2O 3 20.00 20.05 20.25 20.50 14.00 17.15 19.61
CaO 6.00 5.85 6.90 6.20 22.10 12.24 8.83
MgO 11.25 11.40 10.80 11.25 2.70 9.43 10.93
SrO 0.20 0.45 0.55 0.10 - - -
Na 2O 0.35 0.15 0.65 0.20 0.45 0.50 0.12
K 2O 0.20 0.35 0.15 0.15 0.25 0.00 0.13
Li 2O 0.15 0.15 0.00 0.30 0.00 0.00 2.00
Fe 2O 3 0.35 0.35 0.35 0.35 0.40 0.00 0.34
TiO 2 0.40 0.40 0.40 0.40 0.30 0.50 0.68
B 2O 3 1.0 - - - - - -
F - 0.30 - - - - -
比值 C1 9.76 10.08 8.67 9.30 2.70 4.92 5.29
C2 0.045 0.055 0.067 0.037 0.050 0.029 0.115
C3 1.91 2.03 1.64 1.83 0.12 0.77 1.24
C4 2.978 2.993 2.956 2.906 4.264 3.509 2.653
C5 11.940 12.385 10.403 11.818 3.232 6.070 6.944
C6 0.786 0.769 1.000 0.538 1.000 1.000 0.111
參數 成型溫度/℃ 1322 1328 1335 1333 1270 1304 1224
液相線溫度/℃ 1225 1233 1236 1240 1185 1223 1199
△T值/℃ 97 95 99 93 85 81 25
玻璃模量/GPa 94.3 95.0 95.4 96.0 83.2 87.4 92.4
玻璃密度/(g/cm 3) 2.569 2.579 2.580 2.569 2.627 2.615 2.620
比模量/(10 5m) 37.46 37.59 37.73 38.13 32.32 34.10 35.99
主要晶相 組成 COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS COR ANO ENS ANO WOL ANO DIO ANO COR ENS
由上述表中的具體數值可知,與典型無硼E玻璃(對比例1)、改良R玻璃(對比例2和3)相比,本申請的玻璃纖維組合物擁有以下優勢:(1)更高的玻璃模量;(2)更低的玻璃密度;(3)高得多的比模量及輕量化水平;(4)結晶物質中晶相組成豐富,有利於有效抑制玻璃析晶及速率。
與對比例3相比,本申請的玻璃纖維組合物中可選用的氧化鋰含量更低,有利於成本降低及產業化應用。
由此可知,本申請的玻璃纖維組合物在密度、模量、比模量、析晶控制及兼顧低成本方面取得了突破性的進展,技術方案的性價比及輕量化水平更優,易於實現大規模池窯化生產,取得了意想不到的技術效果。
根據本申請的玻璃纖維組合物可製成具有上述優良性能的玻璃纖維。
根據本申請的玻璃纖維組合物與一種或多種有機和/或無機材料結合可製備得到性能優良的複合材料,例如,玻纖增強基材,典型應用有風力葉片、汽車製品、高壓容器、管道等。
最後應說明的是:在本文中,術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含,從而使得包含一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素,而且還包括沒有明確列出的其他要素,或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下,由語句“包括一個…”限定的要素,並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
上面描述的內容可以單獨地或者以各種方式組合起來實施,而這些變型方式都在本申請的保護範圍之內。
最後應說明的是:以上實施例僅用以說明本申請的技術方案,而非對其限制。儘管參照前述實施例對本申請進行了詳細的說明,本領域具有通常知識者應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改,或者對其中部分技術特徵進行等同替換;而這些修改或者替換,並不使相應技術方案的本質脫離本申請各實施例技術方案的精神和範圍。
工業實用性
本申請的玻璃纖維組合物具有低密度、高模量的特性,擁有更高的比模量和比強度,輕量化水平更優,且成本方面更具優勢,還能改善玻璃析晶溫度及速率,擴大玻纖成型範圍,有利於降低生產難度、提高效率,適合用於大規模池窯生產輕量化的高性能玻璃纖維。該玻璃纖維組合物與一種或多種有機和/或無機材料結合可製備得到性能優良的複合材料,例如,玻纖增強基材,典型應用有風力葉片、汽車製品、高壓容器、管道等。
無。
無。
無。

Claims (15)

  1. 一種低密度高性能玻璃纖維組合物,所述低密度高性能玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下:
    Figure 112133447-A0305-02-0037-2
    且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1=SiO2/(CaO+Li2O)的範圍為7.05-12.30,重量百分比的比值C2=(R2O+SrO)/Al2O3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.22。
  2. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,重量百分比的比值C4=SiO2/(Al2O3+Li2O)的範圍為大於等於2.64。
  3. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,重量百分比的比值C1=SiO2/(CaO+Li2O)的範圍為8.25-12.30。
  4. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於1.50。
  5. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,CaO的重量百分比含量範圍為4.1~6.9%。
  6. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,SrO的重量百分比含量範圍為0.05~2%。
  7. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,Li2O的重量百分比含量範圍為0.01~0.35%。
  8. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,SiO2的重量百分比含量範圍為58.4~60.45%。
  9. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,所述低密度高性能玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下:
    Figure 112133447-A0305-02-0038-4
    且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1=SiO2/(CaO+Li2O)的範圍為8.25-12.30,重量百分比的比值C2=(R2O+SrO)/Al2O3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.40。
  10. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,SiO2、Al2O3、MgO和CaO的合計含量小於99%。
  11. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,所述低密度高性能玻璃纖維組合物含有下述組分,各組分的含量以重量百分比表示如下:
    Figure 112133447-A0305-02-0039-5
    且上述組分的合計含量大於等於98.5%,重量百分比的比值C1=SiO2/(CaO+Li2O)的範圍為8.25-12.30,重量百分比的比值 C2=(R2O+SrO)/Al2O3的範圍為大於等於0.012,重量百分比的比值C3=(MgO+SrO)/CaO的範圍為大於等於1.40,重量百分比的比值C4=SiO2/(Al2O3+Li2O)的範圍為大於等於2.74。
  12. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,該低密度高性能玻璃纖維組合物不含Li2O。
  13. 如請求項1所述的低密度高性能玻璃纖維組合物,其中,該低密度高性能玻璃纖維組合物的玻璃密度小於2.60g/cm3
  14. 一種玻璃纖維,所述玻璃纖維由如請求項1至13中任一項所述的低密度高性能玻璃纖維組合物製成。
  15. 一種複合材料,所述複合材料包括如請求項14中所述的玻璃纖維。
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