新型高强度玻璃纤维的制备与性能研究

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  [摘 要]本文研究了NEW HS這种新型高强度玻璃纤维,这种玻璃纤维的主要成分是二氧化硅、氧化铝和氧化镁,总含量大于百分之九十六,其余成分为助溶剂和澄清剂和少量的杂质,经过熔融冷却试制了玻璃样品,并测试了实验样品的粘度、新生态强度、析晶上限、软化点灯 各项性能指标新生态强度测试数据在4700MPa左右,软化温度为970摄氏度,耐酸性检测中质量损失小于5.20%,新型玻璃纤维表现出了良好的力学性能和耐高温、耐酸性能。
  [关键词]玻璃纤维:高强度:耐酸性:耐温性
  中图分类号:S954 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)04-0148-01
  一、研究背景
  相比于普通的无碱玻璃纤维,高强度的玻璃纤维表现出较高的物理性能和化学性能,拉伸强度、抗冲击能力、耐蚀性、耐疲劳能力、耐高温能力都很好,广泛用于军工和航天领域,而应用范围不断扩大,发展前景可观。目前市场上有的高强度玻璃纤维制品有美国的S-2、日本的“T”型、法国的“R”型、中国的“HS”系列等高强度玻璃纤维,但是上述产品都存在一定的缺陷,美国的高强度玻璃纤维生产过程中加入了贵金属,造价高,日本的高强度玻璃纤维中加入了较多氧化锂,导致成本高的同时还要加入有毒的氧化镝作为澄清剂,而中国早期的高强度玻璃纤维成分包含氧化铁,玻璃纤维的导热能力不好,而且玻璃自身有颜色导致不好着色。
  本文设计了新型高强度玻璃纤维NEWHS,改善上述问题。
  二、高强度玻璃纤维的制备
  2.1 高强度玻璃纤维的原材料
  实验所用的材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化硼、氧化铬、碳酸锂、氧化铁等工业级原料。
  2.2 高强度玻璃纤维的成分设计
  根据计算,确定了本高强度玻璃纤维的成分范围,二氧化硅,54-62%,氧化铝24-27,氧化镁12-15%,氧化铬0.-1.5%,氧化锂0.3-0.5%,氧化硼0.-1.5%,氧化铁0.2-.4%,氧化钨%,其余成分为杂质,再次范围之内配料。
  2.3 玻璃纤维的制备
  按照设计好的化学成分配比,准备好原料并混合均匀,放在融制玻璃的坩埚之中,在1500摄氏度左右熔融,融制时间24小时,得到均匀而澄清的玻璃液,将玻璃液冷却之后得到玻璃。去适量的玻璃放在单孔拉丝坩埚内,通过调节玻璃液的温度和拉丝机的转速,制备所需要的玻璃纤维。
  三、高强度玻璃纤维性能检测
  3.1 玻璃融体粘度检测
  将试样样品炎魔成粉末,使用200目筛,称取约7g,将粉末置于铂铑坩埚内加热,将铂转子置于坩埚中心部位,粉末融化为液体后保温一段时间,然后降温,没过一定的温度记录转子的扭矩,转化为相应的玻璃粘度值
  3.2 玻璃析晶上限的检测
  现将测试使用的定点析晶炉加热至一定温度,保温一个小时,将实验制备的玻璃放入炉中,保温半个小时,取出来在显微镜下进行观察,看是否有晶体析出,然后根据观测结果,调整定点析晶炉的温度,再次进行测试,直到测定出样品玻璃的析晶上限温度。
  3.3 测定新生态强度
  根据ASTMD-2102标准,取大约60g粉末置于单孔铂铑坩埚中,在1450摄氏度左右融化,通过控制工艺,拉制直径为8微米的玻璃纤维,采用强力测试机,测量其强度。
  3.4 耐高温性能检测
  玻璃纤维的耐高温性能通过测量软化点来反映,软化点越高则代表玻璃的耐热性能越好,高强度玻璃纤维的软坏蛋测量与普通玻璃一致,采用吊丝法进行测量,当伸长率达到1mm每分钟时,此温度就是玻璃的软化点、
  3.5 耐酸性能检测
  在耐酸性能测试中,所用样品为直径10微米、长度6cm的玻璃纤维200ml置于质量分数为百分之十得盐酸溶液中,在96摄氏度下进行保温,保温时间24小时,然后将玻璃纤维取出烘干称重,测量质量和,计算质量损失率。
  四、实验结果与分析
  4.1 玻璃的融体粘度(表1)
  可以看出本玻璃的高温粘度数值较大,高的高温粘度可以在冷却时抑制析晶过程,降低玻璃的析晶上限温度,有利于玻璃的成型,但是也会导致玻璃液难以澄清,对生产工艺提出了更高的要求。
  4.2 析晶上限温度
  经过实验测量,得出本玻璃的析晶上限温度为1410摄氏度左右,拉丝温度一般为1440摄氏度,本产品的析晶温度和拉丝温度都比较低,有利于作业和降低成本。
  4.3 玻璃新生态强度(表2)
  本实验测量出的高强度玻璃新生他强度与其他产品数据对比如上表2,在强度上与美国产品处于处于同一档次,高于Hiper-lex产品。
  4.4 耐高温性能检测
  经测试,本玻璃的软化点约为965摄氏度。
  4.5 耐酸性能检测
  经过试验测试,本玻璃经过盐酸溶液的腐蚀后胡子良损失率平均值为百分之五左右表现略好于Hiper-lex玻璃纤维,明显好于我国早期的高强度玻璃,但仍不如美国的S-2玻璃。
  4.6 结果分析
  在本次试验中,生产出来的高强度玻璃具有较好的耐高温,耐酸性能,最佳的的成分含量还需要进一步的试验来寻找。本实验中玻璃的成分中含有较多的二氧化硅、氧化铝、氧化镁,因此高温粘度较大,对于玻璃的融制,玻璃液的澄清均有较高要求,因此在成分实际时加入了氧化锂、氧化铁、氧化铬等。氧化锂是一种良好的助溶剂,在较低的温度下与二氧化硅生成硅酸盐,降低了玻璃的粘度氧化铬可以帮助玻璃液澄清。
  本玻璃的新生态强度约为4700MPa,软化点约为965摄氏度,耐酸性检测质量损失率约为百分之五,力学性能、耐高温性能、耐酸蚀性能都要好于当前的主流玻璃纤维,接近美国的S-2产品,但是生产工艺比之更优。
  参考文献
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