[发明专利]一种含氧化铈的高强度玻璃纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高强度玻璃纤维领域，特别涉及一种含氧化铈的高强度玻璃纤维及其制备方法。

背景技术

高强度玻璃纤维是一种新型无机非金属功能材料和结构材料，具有耐高温、耐腐蚀、拉伸强度高、弹性模量大、抗疲劳和抗冲击特性等一系列特点。随着时代的不断发展和科技的不断进步，高强玻璃纤维的应用范围在不断扩大，人们对玻璃纤维的性能要求也在不断提高。作为增强材料，力学性能的提升一直是玻璃纤维发展的最主要方向之一。尤其是近年来能源危机日趋严重，人们对环境保护日益重视，对汽车的轻量化、大叶片风能发电等方面的关注越来越高。此时，高强度玻璃纤维复合材料以其优异的力学性能等优点成为行业研究与开发的热点和重点。但同时，高强玻璃纤维的生产难度也更大，生产成本也更高，这对高强玻璃纤维的大规模生产与应用产生了一定的影响。

美国S-2高强度玻璃纤维，其成分仅为硅、铝和镁的氧化物，含量为65wt％SiO₂、25wt％Al₂O₃、10wt％MgO，S-2玻纤的优点是拉伸强度高，但玻璃成型温度高，其液相温度高达1470℃，拉丝漏板温度达到1570℃，熔制窑炉内衬材料需要使用特殊耐火材料以及铂、铑等贵金属材料，拉丝工艺条件苛刻，生产成本较高。

日本日东纺织株式会社生产的T玻纤与美国的S玻纤属于同种成分，因选择原料不同而略有差异，其主要成分为65wt％SiO₂、23wt％Al₂O₃、11wt％MgO和0.1～1wt％过渡金属氧化物。T玻纤已从最初用于体育运动器材扩展到印制线路板、设备壳体材料等，是制作高性能纤维增强复合塑料的重要基材。但T玻纤的熔制、拉丝温度同样很高，能源消耗大，窑炉坩埚使用寿命相对较短，生产成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含氧化铈的高强度玻璃纤维及其制备方法，该玻璃纤维具有熔制温度、玻璃粘度适中，液相线低，玻璃化优良且不易析晶的特点，具有良好的应用前景。

本发明的一种含氧化铈的高强度玻璃纤维，按重量百分比，由以下组分组成：SiO₂58～66％、Al₂O₃16～23％、CaO 9～18％、MgO 6～12％、ZnO 1～2.5％和CeO₂0.5～2.5％。

本发明所采用技术方案的高强玻璃纤维体系为：

SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-ZnO-CeO₂，不含氧化硼和氟化物。

为了能制备玻璃化优良并有利于玻璃纤维拉丝且具有高强度的玻璃纤维，上述所述的玻璃组分还必须满足以下特征：

所述的玻璃组分中SiO₂的优选范围：60～65％；Al₂O₃的优选范围：17～20％；SiO₂+Al₂O₃的优选范围77～83％。SiO₂是硅酸盐玻璃中最主要的网络形成体，在玻璃系统中起主要骨架的作用，提高SiO₂的含量，虽然增强了玻璃骨架结构，但是玻璃液在相同熔制温度下的粘度上升，熔制澄清温度升高。Al₂O₃不能单独形成玻璃，但对玻璃的网络结构能产生重要的影响，适量的Al₂O₃能够提高玻璃的化学稳定性，改善玻璃的玻璃化程度和失透性，提高玻璃纤维的化学稳定性。

所述的玻璃组分中CaO的优选范围：9～15％。

所述的玻璃组分中MgO的优选范围：7～11％，CaO+MgO的优选范围：18～22％，CaO/MgO之比大于1.2。CaO和MgO是玻璃中常用的价格低廉的成分。CaO属于网络外体离子，CaO能够降低玻璃液的高温粘度，但是增加CaO的含量会增大玻璃的脆性。MgO在玻璃中存在两种配位，处于中间状态，但碱金属含量不足时玻璃中镁离子不会进入网络，只能作为网络外体。MgO含量的增加能够促进玻璃的分相，使得玻璃的液相线上升，同时使得玻璃析晶倾向增加。本发明同时优选CaO和MgO，并且CaO大于MgO，此时利用两种阳离子的共同作用和牵制效应，改善玻璃的熔制条件，达到澄清和均化的效果，提高玻璃网络结构致密程度和玻璃的化学稳定性。