環保低能耗的玻璃纖維的製作方法

2023-08-11 08:21:51

本發明涉及玻璃纖維，特別是一種玻璃成份中無氟﹐無硼的環保低能耗的玻璃纖維，熔解過程中無空氣汙染。與ECR玻璃(無硼無氟玻璃)一樣無硼氟等低熔點助融劑，但在原料中引入了玻璃質礦物珍珠巖，有效降低了配合料的熔化溫度，加速了玻璃的形成，降低了能耗。

背景技術：

E玻璃(無鹼玻璃)為目前市面上最為通用的玻璃纖維，應用於玻璃鋼，電子材料等。E玻璃的通用成份為SiO2為52-56％，B2O3為5-12％，Al2O3為12-16％，CaO為16-19％，MgO為3-6％(U.S.PatNo.2，334，961)，E玻璃窯爐所排放出的氣體主要特點是含有硼和氟的化合物有較高的蒸氣壓(其意味著較易被蒸發出來)，當窯爐內被蒸發的氣體通過熱交換器時，開始被冷凝下來，在此冷凝的過程中有許多的化學和物理反應同時發生，它使得整個工藝流程更加複雜。冷凝的產物不僅僅只是受其個別成份的特性影響，而且受其熱力學平衡情況影響。冷凝物含有三項主要成分:硼酸鹽、硫酸鹽.及氟化物，同時各化合物之間存在相互的反應，特別是硼與氟形成氟化硼BF3或是BF4的絡合物。

在較高的溫度(870℃以上)冷凝物主要是鹼鹽(鈉和鉀)和鹼土(鈣)；例如Na2SO4，CaO-B2O3和玻璃相的SiO2+CaO-B2O3，這些化合物大多被凝結於熱交換機排氣煙囪的下段。再較低溫下一個很重大的水解作用發生，其結果是產生酸性化合物(HF，H2SO4和H3BO3)。當溫度低於約在315℃時，不同形式的硼酸開始凝結；根據溫度它們可能會是B2O3-3H2O，H3BO3或HBO2。其它酸性化合物也在低於205℃開始被凝結，最後是HF在低於38℃時被凝結。

基於以上E玻璃因有氟硼等汙染物，排放後造成空氣汙染，因此E玻璃的熔爐必須要有廢氣處理。

ECR玻璃作為正在推廣的玻璃纖維，是一種無硼無氟玻璃，ECR玻璃的通用成份為SiO2為55-62％，Al2O3為12-16％，CaO為20-25％，MgO為2.5-6％，Na2O+K2O為0-1.5％，由於其原料採用天然非金屬礦，導致配合料熔化溫度較高，玻璃形成速度較慢，消耗較多的能量，增加了生產成本。

連續玻璃纖維的大規模商業化生產包括將主要由本質上是結晶或基本上結晶的礦物構成的配合料熔融。這些結晶原材料到玻璃態的轉化需要在熔融過程中消耗大量的能量。考慮到伴隨結晶材料的大量的能源投入，玻璃質或非晶礦物有時已經被用於玻璃組合物的生產。玻璃質或非晶結構能夠減少熔融過程中消耗的能源的量。

珍珠巖是以玻璃質形態天然存在的礦物。珍珠巖還未被廣泛用作玻璃纖維生產中的原料，這部分歸因於其組成參數。珍珠巖的主要成分為SiO2、Al2O3和鹼金屬氧化物(R2O)。SiO2典型地在珍珠巖中以約70-約75wt％的量存在。Al2O3典型地在珍珠巖中以約12-約15wt％的量存在。鹼金屬氧化物典型地在珍珠巖中以約3-約9wt％的量存在。這些參數與多種廣泛使用的玻璃組合物的組成要求衝突，例如，包括E型玻璃和ECR型玻璃的那些組成要求。

E型玻璃組合物適於形成玻璃纖維。因此，大多數用於增強應用(例如聚合物增強應用的玻璃纖維)由E型玻璃組合物形成。E型玻璃組合物通常限制鹼金屬氧化物的量不超過2％。珍珠巖的高鹼金屬氧化物含量與此限制不符，且致使珍珠巖很大程度上不適合在用於生產E型玻璃組合物的批料組合物中使用。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對上述現有技術的缺陷而提供一種無硼無氟環保低能耗的玻璃纖維，其玻璃液相溫度較低，且具有良好纖維抽絲成型性，同時玻璃內的氣泡數也在可接受的程度。

為達到上述目的，所採取的技術方案如下：

一種環保低能耗的玻璃纖維，所述玻璃纖維原料包括以下重量份的組分：

SiO2為55-70份，Al2O3為9-13份，Na2O+K2O 7-18份，金屬氧化物9-20份，珍珠巖10-30份，所述金屬氧化物為CaO、MgO、TiO2和ZrO2中的一種或幾種。

本發明還具有以下附加技術特徵：

優選的，所述玻璃纖維原料包括以下重量份的組分：

SiO2為60份，Al2O3為10份，Na2O+K2O 10份，金屬氧化物15份，珍珠巖20份。

優選的，所述金屬氧化物包括CaO、MgO和TiO2。

優選的，金屬氧化物為CaO、MgO和ZrO2.。

優選的，所述玻璃纖維製備時使用密閉式融爐。

本發明還提供一種含有上述的玻璃纖維的玻璃鋼。

本發明提供了可纖維化的玻璃組合物，所述玻璃組合物由包含至少15wt％的玻璃質礦物珍珠巖和至少5wt％的鈉源的批料組合物形成，其中所述玻璃質礦物以至少80wt％的量包含SiO2和Al2O3的組合。在一些實施方式中，批料組合物包含至少50wt％的玻璃質礦物，所述玻璃質礦物以至少80wt％的量包含SiO2和Al2O3的組合。在另一實施方式中，批料組合物包含至少60wt％的玻璃質礦物，所述玻璃質礦物以至少80wt％的量包含SiO2和Al2O3的組合。

以上之配方為本發明精心調配研究之結果，為達到玻璃之質量，於融制玻璃時必須使用密閉式融爐防止配方中原料的揮發，適度攪拌使玻璃均質化，降低玻璃液相溫度，此乃玻璃融制及抽絲操作技術，此並不包括於本發明所揭露的玻璃組成內。

本發明的優點是：本發明的玻璃纖維在熔制過程中無空氣汙染，與ECR玻璃(無硼無氟玻璃)一樣無硼氟等低熔點助融劑，但在原料中引入了天然玻璃質礦物珍珠巖，有效降低了配合料的熔化溫度，加快熔解速度，從而加速了玻璃的形成，降低了能耗；

本發明的玻璃纖維降低了玻璃中的氣泡﹐提升玻璃纖維的質量及拉絲效率，玻璃纖維的軟化點為800--850℃﹐拉絲溫度為1200-1250℃，玻璃的液相溫度比玻璃的拉絲溫度低於50℃以上，玻璃內的氣泡數小於1個/公克。

具體實施方式

下面結合具體實施例來進一步描述本發明，本發明的優點和特點將會隨著描述而更為清楚。但這些實施例僅是範例性的，並不對本發明的範圍構成任何限制。本領域技術人員應該理解的是，在不偏離本發明的精神和範圍下可以對本發明技術方案的細節和形式進行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發明的保護範圍內。

實施例1：本發明涉及一種環保低能耗的玻璃纖維，所述玻璃纖維中各組分的含量如下，單位以kg計，

SiO2為55kg，Al2O3為9kg，Na2O+K2O7kg，金屬氧化物9kg，珍珠巖10kg，所述的金屬氧化物為CaO、MgO和TiO2按照任意比例組成的混合物。

按照以下方法製備玻璃板：

(1)按照配比稱取各組分，進行充分均勻混合，形成混合物；

(2)將混合物放在白金坩堝內，再以電爐1400-1450℃的溫度，熔解6至8小時，熔解過程中，並以白金攪拌棒攪拌2-3小時，以促進玻璃中各組成成份之均勻性，形成玻璃膏，然後將玻璃膏倒入金屬模板中冷卻成型為板狀。

此時，針對各玻璃樣品進行檢測，可分別得到玻璃軟化點、抽絲溫度、玻璃液相溫度和玻璃內的氣泡數等。

本發明在檢測玻璃樣品之特性值時，主要系依下列方法進行檢測：

1)抽絲溫度(單位:℃)檢測：參照美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials，以下簡稱ASTM)所訂定之編號C965-96檢測標準，將玻璃放在坩堝中熔融後，放入鉑合金轉子，測量轉子之轉速與扭力的關係，導出玻璃在高溫下溫度與黏度的對應曲線後，得到玻璃膏黏度為103poise時的對應溫度。

2)玻璃液相溫度(單位:℃)檢測：系參照ASTMC829-81，將小於850μm之玻璃屑放入白金皿中，置於梯度爐24小時後，以顯微鏡測量玻璃之結晶情形，判定其液相溫度而得。

3)玻璃軟化點︰依ASTM C338-93(2008)Standard Test Method for Softening Point of Glass測試標準。

4)玻璃氣泡數：以放大顯微鏡觀察玻璃塊內的小氣泡數，並除以重量，得到單位重量的氣泡數。

根據上述配比作成的玻璃纖維的軟化點為800--850℃﹐拉絲溫度為1200-1250℃，玻璃的液相溫度比玻璃的拉絲溫度低於50℃以上，玻璃內的氣泡數小於1個/公克。

實施例2：所述玻璃纖維中各組分的含量如下：SiO2為60kg，Al2O3為10kg，Na2O+K2O10kg，金屬氧化物15kg，珍珠巖20kg，所述的金屬氧化物為CaO、MgO和ZrO2按照任意比例組成的混合物，製備方法同實施例1。

實施例3：本發明涉及一種環保低能耗的玻璃纖維，所述玻璃纖維中各組分的含量如下：

SiO2為70kg，Al2O3為13kg，Na2O+K2O18kg，金屬氧化物20kg，珍珠巖30kg，所述的金屬氧化物為CaO和MgO組成的混合物。

以上實施例所製備的玻璃性能檢測如表1：

表1玻璃性能效果檢測

如表1所示，實施例的無硼無氟玻璃纖維，具有良好的拉絲成形性，玻璃軟化點(800-850℃)也比E玻璃和ECR玻璃低(E玻璃軟化點855℃，ECR玻璃軟化點880℃)。且玻璃液相溫度均低於抽絲溫度50℃或更低。

本發明的實施方式和E玻璃、ECR玻璃的工業生產程序類似，系將前述組成所對應的原料，均勻混合後，導入一玻璃熔解槽，並在1400～1450℃下熔解成玻璃膏，用已知的抽絲方式(如透過白金抽絲盒抽絲和類似的方法)，將玻璃膏拉製成玻璃纖維，然後經由紡絲、加工等工程，製成前述的玻璃纖維產品型態。

因本發明的玻璃纖維，具有低軟化點和無汙染成份，也有優越的纖維抽絲成型性，極適合用於玻璃鋼的補強材料。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。