一种中高铝硅酸玻璃纤维的化学强化方法
阅读说明：本技术 一种中高铝硅酸玻璃纤维的化学强化方法 (Chemical strengthening method for medium-high aluminosilicate glass fiber ) 是由 康俊峰 陈俊竹 吴建磊 岳云龙 屈雅 侯延升 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明具体涉及一种中高铝硅酸玻璃纤维的化学强化方法,属于玻璃及玻璃纤维制备领域。该方法通过以下步骤实现：将熔融的中铝或高铝玻璃液经过拉制形成中铝或高铝玻璃纤维,将玻璃纤维进行预热；将预热后的玻璃纤维浸渍在熔盐中对玻璃纤维进行化学强化,然后经过冷却、清洗、烘干,最后在玻璃纤维表面涂抹浸润剂,进行封装。通过本发明提供的化学强化的中铝、高铝硅酸盐玻璃纤维具有较高的机械性能,与现有的中高铝硅酸盐玻璃纤维相比,调整了基础玻璃的组成,进一步降低了玻璃纤维的成型条件。同时,将玻璃纤维原丝进行化学强化,在玻璃纤维表面形成压应力层,改善玻璃纤维表面质量,进而提高了玻璃纤维为强度、模量等机械性能。(The invention particularly relates to a chemical strengthening method of medium and high aluminosilicate glass fibers, belonging to the field of glass and glass fiber preparation. The method is realized by the following steps: drawing the molten medium-aluminum or high-aluminum glass liquid to form medium-aluminum or high-aluminum glass fibers, and preheating the glass fibers; and (3) dipping the preheated glass fiber in molten salt to chemically strengthen the glass fiber, then cooling, cleaning and drying, and finally smearing a wetting agent on the surface of the glass fiber for packaging. The chemically strengthened medium-aluminum and high-aluminum silicate glass fiber provided by the invention has higher mechanical properties, and compared with the existing medium-aluminum and high-aluminum silicate glass fiber, the chemically strengthened medium-aluminum and high-aluminum silicate glass fiber has the advantages that the composition of basic glass is adjusted, and the forming conditions of the glass fiber are further reduced. Meanwhile, the glass fiber protofilament is chemically strengthened, a pressure stress layer is formed on the surface of the glass fiber, the surface quality of the glass fiber is improved, and the mechanical properties of the glass fiber, such as strength, modulus and the like, are improved.)
技术领域
本发明具体涉及一种中高铝硅酸玻璃纤维的化学强化方法，属于玻璃及玻璃纤维制备领域。
背景技术
玻璃纤维是一种无机非金属纤维材料，具有优良的机械性能、化学稳定性以及绝缘性能，被广泛应用于水泥基复合材料、酚醛树脂复合材料、高分子复合材料等领域。其中高性能玻璃纤维的更是被应用于航空航天、国防军工、核能开发等方向。如清洁能源的风能发电领域，利用玻璃纤维复合材料制备的风机叶片，在满足较高的强度与韧性的同时，增大叶片长度和降低自身重量，以便获得更多的风能。汽车行业中，利用玻璃纤维复合材料降低车辆的重量。工程领域中，可利用玻璃纤维复合材料制备栅栏等。随着复合材料的发展，高性能玻璃纤维在各行各业中的需求量不断增大，对玻璃纤维的性能也提出了更高的要求。
通过引入氧化物可以提高玻璃纤维的强度，在玻璃纤维原料中添加Al2O3能够提高玻璃纤维的强度和模量，但过高的Al2O3导致玻璃纤维的成型温度过高，生产难度偏高、成本居高不下。同时，在薄玻璃产品制造领域，化学强化能够有效提高玻璃的机械性能，尤其是强度和硬度性能。相关研究表明，通过玻璃表面的离子交换，将熔盐中半径大的离子置换出玻璃表面中半径较小的离子，在玻璃的表面形成压应力层，能够有效提高玻璃的抗弯、抗冲击等机械性能。由于玻璃纤维的强度程度取决于表面微裂纹的尺寸及数量，研究表明，化学强化能够优化玻璃纤维表面质量，减小玻璃纤维表面的微裂纹尺寸，甚至闭合尺寸较小的微裂纹。由此可见，化学强度在理论上能够提高玻璃纤维的机械性能。
中高铝硅酸盐玻璃纤维具有较高的拉伸强度和弯曲强度，现有的技术难以进一步提高中高铝硅酸盐玻璃纤维的机械性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种中高铝硅酸玻璃纤维的化学强化方法。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种中高铝硅酸玻璃纤维的化学强化方法，包括以下步骤：
（1）将熔融的中铝或高铝玻璃液经过拉制形成中铝或高铝玻璃纤维，将玻璃纤维进行预热；
（2）将预热后的玻璃纤维浸渍在熔盐中对玻璃纤维进行化学强化，然后经过冷却、清洗、烘干，最后在玻璃纤维表面涂抹浸润剂，进行封装。
本发明进行化学强化时，所述高铝玻璃纤维的原料质量百分比组成为：SiO2：58-78%，A12O3：10-24%，K2O+Na2O+Li2O：10-21%，MgO：3-12%，P2O5：0.1-3%，澄清剂：0.1-3%；所述中铝玻璃纤维的原料质量百分比组成为：SiO2：63%-67%；Al2O3：8%-13%；MgO：5%-7%；Na2O：14.5%-16.5%；K2O：0.5%-2.5%；ZrO2：0.3%-0.7%。
进一步的，所述高铝玻璃纤维中，SiO2：A12O3的质量比为：5.5-1.5:1，SiO2：K2O+Na2O+Li2O的质量比为：5.1-1.6:1，K2O+Na2O+Li2O在原料中的质量百分比为12-17%，所述A12O3在原料中的质量百分比为11-23%；所述中铝玻璃纤维中，Al2O3和(K2O+Na2O)的质量比为0.2-0.5。
上述玻璃纤维的直径为30~100μm。
进一步的，步骤（1）中，所述玻璃纤维制备过程中：
高铝硅酸盐玻璃粘度在10Pa·s时对应的温度为：1681-1705℃，粘度在102Pa·s时对应的温度为：1397-1423℃，粘度在103Pa·s时对应的温度为：1197-1231℃。
中铝硅酸盐玻璃粘度在10Pa·s时对应的温度为：1601-1625℃，粘度在102Pa·s时对应的温度为：1306-1338℃，粘度在103Pa·s时对应的温度为：1119-1143℃。
进一步的，步骤（1）中，所述预热的温度为370-450℃，预热时间为0.1-0.8h。
进一步的，步骤（2）中，所述熔盐为为硝酸钾或混合型熔盐；所述混合型熔盐是由KNO3、Al2O3和硅藻土组成，所述混合熔盐的质量百分组成为：KNO3 90%-99%、Al2O3 0.1%-4%、硅藻土 0.5%-9%。
进一步的，所述化学强化的温度为370~450℃，时间为0.1~3h。
本发明所使用的浸润剂组成为：聚酯树脂乳液 6%-12%、环氧树脂如液 3%-10%、二醛淀粉 1%-5%、润滑剂 0.1%-0.8%、消泡剂 0.1%-0.5%、抗静电剂 0.1%-0.6%、PH值调节剂0.1%-0.5%、余量水。
高铝玻璃纤维的原料组成中A12O3的含量较高，玻璃液澄清较为困难，在原料中加入澄清剂，促进玻璃液中气泡的排出。澄清剂选择氧化亚锡、二氧化铈、硫酸钠、氧化锑、氟化钙，优选其中的一种或多种；其中，长度10m的玻璃纤维原丝的平均可见气泡个数不超过2个。高铝硅酸盐玻璃粘度在10Pa·s时对应的温度为：1681-1705℃，粘度在102Pa·s时对应的温度为：1397-1423℃，粘度在103Pa·s时对应的温度为：1197-1231℃。中铝硅酸盐玻璃粘度在10Pa·s时对应的温度为：1601-1625℃，粘度在102Pa·s时对应的温度为：1306-1338℃，粘度在103Pa·s时对应的温度为：1119-1143℃。通过这些特征温度点，可以确定玻璃纤维在拉丝过程的温度，以及控制玻璃纤维的拉丝速度，制得所需直径的玻璃纤维。
本发明所使用的化学强化熔盐为硝酸钾或混合熔盐，将离子半径较大的K+与离子半径相对较小的Na+、Li+的置换，在玻璃纤维表面形成压应力层，能够优化玻璃纤维表面质量，减小玻璃纤维表面的微裂纹尺寸，甚至闭合尺寸较小的微裂纹，进而提高玻璃纤维的机械性能。
将高铝、中铝玻璃纤维制成直径为30~100μm的原丝，然后将玻璃纤维原丝置于370~450℃的混合熔盐中，保温0.1~3h后取出，经过自然冷却至室温后，然后利用去离子水对玻璃纤维表面进行清洗、烘干，最后在玻璃纤维表面涂抹浸润，进行封装。直径为30~100μm的化学强化高铝玻璃纤维的离子交换深度为：8~30μm，弯曲强度为：1859-2598MPa，拉伸强度为：1162-2181MPa，最小曲率半径为：2.4~6.5mm；与玻璃纤维原丝相比，弯曲强度提升了32~47%，拉伸强度提升了26~38%，最小曲率半径减小了8~30%；直径为30~100μm的化学强化中铝玻璃纤维的离子交换深度为：9~30μm，弯曲强度为：1930-2214MPa，拉伸强度为：1379-2106MPa，最小曲率半径为：3.2~5.6mm；与玻璃纤维原丝相比，弯曲强度提升了30~44%，拉伸强度提升了22~36%，最小曲率半径减小了9~32%
将高铝、中铝玻璃纤维制成直径为5~30μm的原丝，然后将玻璃纤维原丝置于370~450℃的混合熔盐中，保温0.1~3h后取出，经过自然冷却至室温后，然后利用去离子水对玻璃纤维表面进行清洗、烘干，最后在玻璃纤维表面涂抹浸润，进行封装。直径为5~30μm的化学强化高铝玻璃纤维的离子交换深度为：1~10μm，弯曲强度为：2502-2773MPa，拉伸强度为：1997-2181MPa，最小曲率半径为：0.5~2.1mm；与玻璃纤维原丝相比，弯曲强度提升了29~41%，拉伸强度提升了29~35%，最小曲率半径减小了7~20%；直径为5~30μm的化学强化中铝玻璃纤维的离子交换深度为：2~10μm，弯曲强度为：2103-2301MPa，拉伸强度为：1902-2106MPa，最小曲率半径为：0.9~1.3mm；与玻璃纤维原丝相比，弯曲强度提升了27~40%，拉伸强度提升了26~37%，最小曲率半径减小了8~19%。
本发明的目的是为了制备化学强化的高铝硅酸盐玻璃纤维，通过半径较大的离子置换玻璃纤维表面半径较小的离子，在玻璃纤维表面形成压应力层，以提高玻璃纤维的机械性能。制备化学强化的高铝硅酸盐玻璃纤维具有比现有玻璃纤维较强的强度和模量，能够大大提高玻璃纤维复合材料的机械性能，有较为广阔的市场，带来较大的经济效益。
本发明的有益效果：
（1）通过本发明提供的化学强化的中铝、高铝硅酸盐玻璃纤维具有较高的机械性能，与现有的中高铝硅酸盐玻璃纤维相比，调整了基础玻璃的组成，进一步降低了玻璃纤维的成型条件。同时，将玻璃纤维原丝进行化学强化，在玻璃纤维表面形成压应力层，改善玻璃纤维表面质量，进而提高了玻璃纤维为强度、模量等机械性能。
（2）本发明的化学强化高铝硅酸盐玻璃纤维可广泛应用于国防军工、航空航天、核能开发工业装备等领域，如风机叶片、车辆外壳、飞机雷达罩、酚醛树脂复合材料、防弹服等。
具体实施方式
为了更好地对本发明的化学强化玻璃纤维进一步解释说明，下面将结合几个具体的实施例对本发明进行详细的说明。显然，本发明的所描述的实施例仅仅是部分实施例，并不局限于本发明。
实施例1
高铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2的质量为：60%，A12O3的质量为：15%，Na2O的质量为：14%，K2O+Li2O的质量为：3%，MgO的质量为：5%，P2O5的质量为：1.5%，SnO的质量为：1.5%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1397℃，拉丝速度为25m/min，制得直径为100μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为400℃，强化时间为1h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例2
高铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2的质量为：62%，A12O3的质量为：18%，Na2O的质量为：14%，K2O+Li2O的质量为：1%，MgO的质量为：3%，P2O5的质量为：1%，SnO的质量为：1%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1415℃，拉丝速度为149m/min，制得直径为50μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为390℃，强化时间为0.6h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例3
高铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2的质量为：63%，A12O3的质量为：17%，Na2O的质量为：13%，K2O+Li2O的质量为：1%，MgO的质量为：3%，P2O5的质量为：1.8%，SnO的质量为：1.2%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1411℃，拉丝速度为356m/min，制得直径为25μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为370℃，强化时间为0.5h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例4
高铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2的质量为：65%，A12O3的质量为：15%，Na2O的质量为：13%，K2O+Li2O的质量为：2%，MgO的质量为：4%，P2O5的质量为：0.8%，SnO的质量为：0.2%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1403℃，拉丝速度为268m/min，制得直径为30μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为370℃，强化时间为0.5h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例5
高铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2的质量为：64%，A12O3的质量为：18%，Na2O的质量为：12%，K2O+Li2O的质量为：2%，MgO的质量为：3%，P2O5的质量为：0.7%，SnO的质量为：0.3%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1423℃，拉丝速度为36m/min，制得直径为80μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为390℃，强化时间为1h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
将实施例1-5经化学强化的高铝玻璃纤维进行性能检测，检测方法采用本领域常规的检测方法即可，具体结果见表1。
表1
实施例6
中铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2：63%；Al2O3：12.5%；MgO：7%；Na2O：15.5%；K2O：1.5%；ZrO2：0.5%。。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1338℃，拉丝速度为275m/min，制得直径为30μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为390℃，强化时间为0.6h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例7
中铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2：66%；Al2O3：11%；MgO：6%；Na2O：14.5%；K2O：2%；ZrO2：0.5%。。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1330℃，拉丝速度为42m/min，制得直径为80μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为410℃，强化时间为1h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例8
中铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2：65.6%；Al2O3：10%；MgO：8%；Na2O：15%；K2O：1%；ZrO2：0.4%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1325℃，拉丝速度为363m/min，制得直径为25μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为370℃，强化时间为0.5h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
实施例9
中铝硅酸盐玻璃纤维的质量百分比为：SiO2：67%；Al2O3：8%；MgO：6.5%；Na2O：16.5%；K2O：1.4%；ZrO2：0.6%。
具体制备方法如下：
其中玻璃纤维的拉丝温度1306℃，拉丝速度为152m/min，制得直径为50μm的玻璃纤维。
将玻璃纤维置于混合熔盐中进行化学强化，强化温度为370℃，强化时间为1h。
将强化后的玻璃纤维表面进行清洗，去除表面的熔盐残留。然后对玻璃纤维进行烘干，并在表面涂抹浸润剂。
将实施例6-9经化学强化的中铝玻璃纤维进行性能检测，检测方法采用本领域常规的检测方法即可，具体结果见表2。
表2
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