新型高強(qiáng)度玻璃纖維的制備與性能研究

王兵偉

[摘 要]本文研究了NEW HS這種新型高強(qiáng)度玻璃纖維，這種玻璃纖維的主要成分是二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂，總含量大于百分之九十六，其余成分為助溶劑和澄清劑和少量的雜質(zhì)，經(jīng)過熔融冷卻試制了玻璃樣品，并測(cè)試了實(shí)驗(yàn)樣品的粘度、新生態(tài)強(qiáng)度、析晶上限、軟化點(diǎn)燈 各項(xiàng)性能指標(biāo)新生態(tài)強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)在4700MPa左右，軟化溫度為970攝氏度，耐酸性檢測(cè)中質(zhì)量損失小于5.20%，新型玻璃纖維表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能和耐高溫、耐酸性能。

[關(guān)鍵詞]玻璃纖維：高強(qiáng)度：耐酸性：耐溫性

中圖分類號(hào)：S954 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）04-0148-01

一、研究背景

相比于普通的無堿玻璃纖維，高強(qiáng)度的玻璃纖維表現(xiàn)出較高的物理性能和化學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度、抗沖擊能力、耐蝕性、耐疲勞能力、耐高溫能力都很好，廣泛用于軍工和航天領(lǐng)域，而應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，發(fā)展前景可觀。目前市場(chǎng)上有的高強(qiáng)度玻璃纖維制品有美國(guó)的S-2、日本的“T”型、法國(guó)的“R”型、中國(guó)的“HS”系列等高強(qiáng)度玻璃纖維，但是上述產(chǎn)品都存在一定的缺陷，美國(guó)的高強(qiáng)度玻璃纖維生產(chǎn)過程中加入了貴金屬，造價(jià)高，日本的高強(qiáng)度玻璃纖維中加入了較多氧化鋰，導(dǎo)致成本高的同時(shí)還要加入有毒的氧化鏑作為澄清劑，而中國(guó)早期的高強(qiáng)度玻璃纖維成分包含氧化鐵，玻璃纖維的導(dǎo)熱能力不好，而且玻璃自身有顏色導(dǎo)致不好著色。

本文設(shè)計(jì)了新型高強(qiáng)度玻璃纖維NEWHS，改善上述問題。

二、高強(qiáng)度玻璃纖維的制備

2.1 高強(qiáng)度玻璃纖維的原材料

實(shí)驗(yàn)所用的材料包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化硼、氧化鉻、碳酸鋰、氧化鐵等工業(yè)級(jí)原料。

2.2 高強(qiáng)度玻璃纖維的成分設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算，確定了本高強(qiáng)度玻璃纖維的成分范圍，二氧化硅，54-62%，氧化鋁24-27，氧化鎂12-15%，氧化鉻0.-1.5%，氧化鋰0.3-0.5%，氧化硼0.-1.5%，氧化鐵0.2-.4%，氧化鎢%，其余成分為雜質(zhì)，再次范圍之內(nèi)配料。

2.3 玻璃纖維的制備

按照設(shè)計(jì)好的化學(xué)成分配比，準(zhǔn)備好原料并混合均勻，放在融制玻璃的坩堝之中，在1500攝氏度左右熔融，融制時(shí)間24小時(shí)，得到均勻而澄清的玻璃液，將玻璃液冷卻之后得到玻璃。去適量的玻璃放在單孔拉絲坩堝內(nèi)，通過調(diào)節(jié)玻璃液的溫度和拉絲機(jī)的轉(zhuǎn)速，制備所需要的玻璃纖維。

三、高強(qiáng)度玻璃纖維性能檢測(cè)

3.1 玻璃融體粘度檢測(cè)

將試樣樣品炎魔成粉末，使用200目篩，稱取約7g，將粉末置于鉑銠坩堝內(nèi)加熱，將鉑轉(zhuǎn)子置于坩堝中心部位，粉末融化為液體后保溫一段時(shí)間，然后降溫，沒過一定的溫度記錄轉(zhuǎn)子的扭矩，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的玻璃粘度值

3.2 玻璃析晶上限的檢測(cè)

現(xiàn)將測(cè)試使用的定點(diǎn)析晶爐加熱至一定溫度，保溫一個(gè)小時(shí)，將實(shí)驗(yàn)制備的玻璃放入爐中，保溫半個(gè)小時(shí)，取出來在顯微鏡下進(jìn)行觀察，看是否有晶體析出，然后根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，調(diào)整定點(diǎn)析晶爐的溫度，再次進(jìn)行測(cè)試，直到測(cè)定出樣品玻璃的析晶上限溫度。

3.3 測(cè)定新生態(tài)強(qiáng)度

根據(jù)ASTMD-2102標(biāo)準(zhǔn)，取大約60g粉末置于單孔鉑銠坩堝中，在1450攝氏度左右融化，通過控制工藝，拉制直徑為8微米的玻璃纖維，采用強(qiáng)力測(cè)試機(jī)，測(cè)量其強(qiáng)度。

3.4 耐高溫性能檢測(cè)

玻璃纖維的耐高溫性能通過測(cè)量軟化點(diǎn)來反映，軟化點(diǎn)越高則代表玻璃的耐熱性能越好，高強(qiáng)度玻璃纖維的軟壞蛋測(cè)量與普通玻璃一致，采用吊絲法進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)伸長(zhǎng)率達(dá)到1mm每分鐘時(shí)，此溫度就是玻璃的軟化點(diǎn)、

3.5 耐酸性能檢測(cè)

在耐酸性能測(cè)試中，所用樣品為直徑10微米、長(zhǎng)度6cm的玻璃纖維200ml置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為百分之十得鹽酸溶液中，在96攝氏度下進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間24小時(shí)，然后將玻璃纖維取出烘干稱重，測(cè)量質(zhì)量和，計(jì)算質(zhì)量損失率。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 玻璃的融體粘度（表1）

可以看出本玻璃的高溫粘度數(shù)值較大，高的高溫粘度可以在冷卻時(shí)抑制析晶過程，降低玻璃的析晶上限溫度，有利于玻璃的成型，但是也會(huì)導(dǎo)致玻璃液難以澄清，對(duì)生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。

4.2 析晶上限溫度

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得出本玻璃的析晶上限溫度為1410攝氏度左右，拉絲溫度一般為1440攝氏度，本產(chǎn)品的析晶溫度和拉絲溫度都比較低，有利于作業(yè)和降低成本。

4.3 玻璃新生態(tài)強(qiáng)度（表2）

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的高強(qiáng)度玻璃新生他強(qiáng)度與其他產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)比如上表2，在強(qiáng)度上與美國(guó)產(chǎn)品處于處于同一檔次，高于Hiper-lex產(chǎn)品。

4.4 耐高溫性能檢測(cè)

經(jīng)測(cè)試，本玻璃的軟化點(diǎn)約為965攝氏度。

4.5 耐酸性能檢測(cè)

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，本玻璃經(jīng)過鹽酸溶液的腐蝕后胡子良損失率平均值為百分之五左右表現(xiàn)略好于Hiper-lex玻璃纖維，明顯好于我國(guó)早期的高強(qiáng)度玻璃，但仍不如美國(guó)的S-2玻璃。

4.6 結(jié)果分析

在本次試驗(yàn)中，生產(chǎn)出來的高強(qiáng)度玻璃具有較好的耐高溫，耐酸性能，最佳的的成分含量還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來尋找。本實(shí)驗(yàn)中玻璃的成分中含有較多的二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂，因此高溫粘度較大，對(duì)于玻璃的融制，玻璃液的澄清均有較高要求，因此在成分實(shí)際時(shí)加入了氧化鋰、氧化鐵、氧化鉻等。氧化鋰是一種良好的助溶劑，在較低的溫度下與二氧化硅生成硅酸鹽，降低了玻璃的粘度氧化鉻可以幫助玻璃液澄清。

本玻璃的新生態(tài)強(qiáng)度約為4700MPa，軟化點(diǎn)約為965攝氏度，耐酸性檢測(cè)質(zhì)量損失率約為百分之五，力學(xué)性能、耐高溫性能、耐酸蝕性能都要好于當(dāng)前的主流玻璃纖維，接近美國(guó)的S-2產(chǎn)品，但是生產(chǎn)工藝比之更優(yōu)。

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