本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度的玻璃纖維，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)度纖維生產(chǎn)的低成本規(guī)?；殉蔀楦鞔笾圃焐谈傁酄帄Z的焦點(diǎn)。風(fēng)電低成本規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵是在降低纖維拉絲工藝難度的同時，保證纖維滿足大尺寸風(fēng)機(jī)葉片高強(qiáng)度的要求。為此，風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)先的發(fā)達(dá)國家都把高強(qiáng)度纖維的研發(fā)作為解決風(fēng)機(jī)葉片大型化的一個主攻方向。目前，高強(qiáng)度纖維主要分為碳纖維和玻璃纖維，碳纖維雖然擁有良好的絕緣性、耐腐蝕性，但其生產(chǎn)成本高，工藝流程繁瑣；而玻璃纖維不僅機(jī)械強(qiáng)度高，且生產(chǎn)成本較低，特別適合大規(guī)模批量生產(chǎn)。近年來，玻璃纖維已然成為高強(qiáng)度纖維的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

最早的高強(qiáng)度玻璃纖維可追溯到美國AGY公司于1968年開發(fā)的S系列玻纖，當(dāng)時是為了滿足軍事需要而研制的。隨后其它國家也紛紛開發(fā)出了相類似的高強(qiáng)度玻璃纖維，如日本的“T”纖維、法國的“R”纖維和中國的“HS”系列纖維。這些高強(qiáng)度玻璃纖維的力學(xué)性能都十分優(yōu)異，但由于成型溫度過高、生產(chǎn)難度大，無法在現(xiàn)代池窯上實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，多局限在軍工領(lǐng)域。

進(jìn)入21世紀(jì)，玻璃纖維行業(yè)蓬勃發(fā)展，市場應(yīng)用不斷擴(kuò)大，各大玻璃纖維公司都推出了新一代的高強(qiáng)度玻璃纖維；同時玻璃纖維的理論水平以及生產(chǎn)裝備與工藝技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前，最佳的高強(qiáng)度玻璃纖維為SiO₂-Al₂O₃-MgO-CaO系玻璃纖維；如美國專利第3402055號描述的一種用于形成S-2^TM玻璃的高強(qiáng)度玻璃纖維，這種玻璃基質(zhì)組分為65%SiO₂、25%Al₂O₃和10%MgO，其單絲新生態(tài)強(qiáng)度為4600~4800MPa，析晶上限溫度為1464℃，拉絲溫度為1471℃，雖然具有較高的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的高溫性能，但是這種玻璃的熔制溫度與拉絲溫度高、高溫粘度大、不易拉絲，生產(chǎn)成本較高。

為了降低玻璃纖維的熔制溫度和拉絲溫度，各大玻璃纖維公司和科研院校所研制的玻纖成分基本是在SiO₂-Al₂O₃-MgO-CaO基質(zhì)的基礎(chǔ)上添加各種不同種類的助熔劑。如美國歐文斯-科爾寧公司生產(chǎn)的Advantex^TM玻璃纖維，其玻璃組成物按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計為SiO₂：59～62%，CaO：20～24%，Al₂O₃：12～15%，MgO：1.0～4.0%，Na₂O：0~2%，K₂O：0～2%，TiO₂：0～0.9%，F(xiàn)e₂O₃：0～0.5%，F(xiàn)：0～0.9%；該玻璃體系由于引入大量的氟化物和堿金屬氧化物而大幅度降低了玻璃的熔制溫度與拉絲溫度，其熔制溫度為1480℃，析晶上限溫度為1204℃，拉絲溫度為1260℃；然而，由于加入了大量的氟化物和堿金屬氧化物，致使其單絲新生態(tài)強(qiáng)度僅為3100~3800 MPa。國內(nèi)的HS系列玻璃纖維與其類似，其組成按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計為：SiO₂：52～66%，CaO：16～26%，Al₂O₃：12～16%，H₃BO₃：5～10%，MgO：0～5%，Na₂O+K₂O：0～2%，TiO₂：0～0.8%，F(xiàn)e₂O₃：0～5%，F(xiàn)：0～1.0%；該玻璃體系由于引入大量的堿金屬氧化物、氟化物以及硼酸而大幅度降低了玻璃的熔制溫度和拉絲溫度，其熔制溫度為1465℃，拉絲溫度為1350℃；然而，其新生態(tài)強(qiáng)度僅為3600~4000 MPa。此外，法國R-玻璃纖維的組分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計為SiO₂：59～62%，CaO：20～28%，Al₂O₃：12～15%，MgO：1.0～4.0%，Na₂O：0~2%，K₂O：0～2%，CeO₂：0～2.0%，F(xiàn)e₂O₃：0～0.5%，F(xiàn)：0～0.9%；該玻璃體系由于引入大量的Na⁺、K⁺、Ce⁴⁺降低了玻璃的高溫粘度和熔制溫度，其熔制溫度為1450℃，拉絲溫度為1280℃，但其單絲新生態(tài)強(qiáng)度僅為3200~3400 MPa。

因此，在保證玻璃纖維具有高強(qiáng)度的情況下，有效降低玻璃的熔制溫度和拉絲操作溫度對批量生產(chǎn)與降低能耗具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度的玻璃纖維，該玻璃纖維在具有高強(qiáng)度的同時，還具有較低的玻璃熔制溫度和拉絲溫度，從而有效降低了生產(chǎn)能耗。

本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維，其制備過程包括以下步驟：

（1）按以下各原材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱料，同時稱取原材料總重的4~5倍的氧化鋯磨球和原材料總重的1~2倍的去離子水，球磨混合12～24小時，得到混合料；所述的各原材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：

硅溶膠 50～60%

鋁溶膠 24～31%

氧化鎂 8～11%

氧化鈣 4～5%

二氧化鈦 0.1～2%

三氧化二鐵 0～0.5%

五氧化二鈮 0.5～2%

三氧化二銻 0.5~1.5%

硝酸鉍 0.3～1.5%

硼酸 0.1～0.5%；

（2）將上述球磨好的混合料通過霧化器進(jìn)行噴霧干燥，除去去離子水，得到粉體；噴霧干燥的進(jìn)口空氣溫度為180～280℃、出口空氣溫度為30～100℃；

（3）將上述噴霧干燥后的粉體在700～900℃煅燒1～3小時，然后隨爐冷卻至室溫；

（4）將上述煅燒好的粉體放入橡皮模具中，在冷等靜壓機(jī)中于100～300 MPa下進(jìn)行等靜壓，獲得致密的塊體；

（5）將上述等靜壓后的致密塊體放入坩堝中，置于1400~1450℃溫度下熔制2~3小時，得到熔融的玻璃液；

（6）將上述玻璃液的溫度降至1250~1300℃，開始拉絲，調(diào)整拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1000~1400轉(zhuǎn)/分，拉制成5~12 μm的連續(xù)纖維。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維，在制備過程中，五氧化二鈮和三氧化二銻的引入起到消泡的作用，利于玻璃液的澄清，從而在不損害玻璃纖維強(qiáng)度的情況下，有效減少玻璃的熔制時間、降低能耗成本；硝酸鉍的引入在不影響玻璃強(qiáng)度的情況下，能有效降低玻璃的高溫粘度和成型溫度，從而降低玻璃的熔制溫度、減少玻璃的熔制時間；采用硅溶膠、鋁溶膠和硝酸鉍為原料，通過添加去離子水后進(jìn)行球磨混合和噴霧干燥工藝，使硅鋁鉍等離子均勻包覆在其它氧化物粉體的表面，繼而經(jīng)過煅燒后獲得納米氧化硅、納米氧化鋁、納米氧化鉍的顆粒，在納米顆粒的高比表面能作用下，以及等靜壓使各組分緊密接觸，從而顯著降低了玻璃的熔制溫度及熔制時間，使得本發(fā)明在相對較低的熔制溫度與拉絲溫度下獲得了高強(qiáng)度的玻璃纖維。

具體實施方式

下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實施例1：

按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱取60%硅溶膠、25%鋁溶膠、9%氧化鎂、4%氧化鈣、0.5%二氧化鈦、0.1%三氧化二鐵、0.5%五氧化二鈮、0.5%三氧化二銻、0.3%硝酸鉍以及0.1%硼酸。同時稱取原材料總重的5倍的氧化鋯磨球和原材料總重的2倍的去離子水，球磨混合24小時，得到混合料。將球磨好的混合料通過霧化器進(jìn)行噴霧干燥，除去去離子水，得到粉體；噴霧干燥的進(jìn)口溫度為200℃，出口溫度為30℃。接著將上述噴霧干燥完的粉體置于電爐中，于800℃煅燒2小時，隨爐冷卻至室溫。然后將上述煅燒好的粉體放入橡皮模具中，以200 MPa的壓強(qiáng)等靜壓獲得致密的塊體，將等靜壓后的致密塊體放入坩堝中，置于1450℃下熔制3小時，得到熔融的玻璃液。最后將玻璃液的溫度降至1300℃，開始拉絲，調(diào)整拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分，拉制成12 μm的連續(xù)纖維，即獲得本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維。

玻璃單絲強(qiáng)度測定方法：用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經(jīng)受磨損的單根纖維，用UTM-11-20自動記錄強(qiáng)力記測強(qiáng)力，用測量顯微鏡在800倍放大率的條件下測量纖維直徑。測試條件：強(qiáng)力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min、環(huán)境溫度22～25℃、濕度40～55﹪；由此測出的纖維單絲拉伸強(qiáng)度為4951 MPa。

實施例2：

按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱取57%硅溶膠、25%鋁溶膠、8%氧化鎂、5%氧化鈣、1%二氧化鈦、0.5%三氧化二鐵、0.7%五氧化二鈮、1.5%三氧化二銻、1%硝酸鉍以及0.3%硼酸。同時稱取原材料總重的4倍的氧化鋯磨球和原材料總重的1倍的去離子水，球磨混合12小時，得到混合料。將球磨好的混合料通過霧化器進(jìn)行噴霧干燥，除去去離子水，得到粉體；噴霧干燥的進(jìn)口溫度為180℃，出口溫度為100℃。接著將上述噴霧干燥完的粉體置于電爐中，于700℃煅燒3小時，隨爐冷卻至室溫。然后將上述煅燒好的粉體放入橡皮模具中，以100 MPa的壓強(qiáng)等靜壓獲得致密的塊體，將等靜壓后的致密塊體放入坩堝中，置于1425℃下熔制2.5小時，得到熔融的玻璃液。最后將玻璃液溫度降至1275℃，開始拉絲，調(diào)整拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分，拉制成10 μm的連續(xù)纖維，即獲得本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維。

玻璃單絲強(qiáng)度測定方法：用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經(jīng)受磨損的單根纖維，用UTM-11-20自動記錄強(qiáng)力記測強(qiáng)力，用測量顯微鏡在800倍放大率的條件下測量纖維直徑。測試條件：強(qiáng)力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min、環(huán)境溫度22～25℃、濕度40～55﹪；由此測出的纖維單絲拉伸強(qiáng)度為4907 MPa。

實施例3：

按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱取53%硅溶膠、24%鋁溶膠、11%氧化鎂、5%氧化鈣、2%二氧化鈦、0.1%三氧化二鐵、2%五氧化二鈮、0.9%三氧化二銻、1.5%硝酸鉍以及0.5%硼酸。同時稱取原材料總重的4.5倍的氧化鋯磨球和原材料總重的1.5倍的去離子水，球磨混合20小時，得到混合料。將球磨好的混合料通過霧化器進(jìn)行噴霧干燥，除去去離子水，得到粉體；噴霧干燥的進(jìn)口溫度為280℃，出口溫度為50℃。接著將上述噴霧干燥完的粉體在900℃煅燒1小時，隨爐冷卻至室溫。然后將上述煅燒好的粉體放入橡皮模具中，以300 MPa的壓強(qiáng)等靜壓獲得致密的塊體，將等靜壓后的致密塊體放入坩堝中，置于1400℃下熔制2小時，得到熔融的玻璃液。最后將玻璃液溫度降至1250℃，開始拉絲，調(diào)整拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)/分，拉制成5 μm的連續(xù)纖維，即獲得本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維。

玻璃單絲強(qiáng)度測定方法：用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經(jīng)受磨損的單根纖維，用UTM-11-20自動記錄強(qiáng)力記測強(qiáng)力，用測量顯微鏡在800倍放大率的條件下測量纖維直徑。測試條件：強(qiáng)力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min、環(huán)境溫度22～25℃、濕度40～55﹪；由此測出的纖維單絲拉伸強(qiáng)度為4839 MPa。

實施例4：

按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱取50%硅溶膠、31%鋁溶膠、11%氧化鎂、4.5%氧化鈣、0.1%二氧化鈦、1%五氧化二鈮、1%三氧化二銻、1%硝酸鉍以及0.4%硼酸。同時稱取原材料總重的4倍的氧化鋯磨球和原材料總重的2倍的去離子水，球磨混合18小時，得到混合料。將球磨好的混合料通過霧化器進(jìn)行噴霧干燥，除去去離子水，得到粉體；噴霧干燥的進(jìn)口溫度為250℃，出口溫度為80℃。接著將上述噴霧干燥完的粉體在850℃煅燒2小時，隨爐冷卻至室溫。然后將上述煅燒好的粉體放入橡皮模具中，以250 MPa的壓強(qiáng)等靜壓獲得致密的塊體，將等靜壓后的致密塊體放入坩堝中，置于1420℃下熔制3小時，得到熔融的玻璃液。最后將玻璃液溫度降至1270℃，開始拉絲，調(diào)整拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1300轉(zhuǎn)/分，拉制成8 μm的連續(xù)纖維，即獲得本發(fā)明的高強(qiáng)度玻璃纖維。

玻璃單絲強(qiáng)度測定方法：用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經(jīng)受磨損的單根纖維，用UTM-11-20自動記錄強(qiáng)力記測強(qiáng)力，用測量顯微鏡在800倍放大率的條件下測量纖維直徑。測試條件：強(qiáng)力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min、環(huán)境溫度22～25℃、濕度40～55﹪；由此測出的纖維單絲拉伸強(qiáng)度為4935 MPa。