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无硼无氟玻璃纤维组成与性能的研究

徐兴军  
【摘要】:玻璃纤维是一种新型功能材料和结构材料,以其优良的性能广泛应用于电子、通讯、核能、航空、航天、兵器等高端领域,成为二十一世纪不可缺少的可持续发展的高新技术材料。目前生产的连续玻璃纤维90%以上是E玻璃,但是,在E玻璃熔制过程中硼、氟以氟硅酸、氢氟酸和氟硼酸盐的形式挥发,不但会影响玻璃成分的均一性、玻璃的使用性能,而且会污染环境。降低E玻璃纤维生产过程中硼、氟对环境造成的污染,成为人们关注的焦点。 本文在充分分析国内外研究现状的基础上,对无硼无氟玻璃系统结构、性能和工艺性能进行了系统研究。分别采用相同摩尔数的MgO、TiO_2、ZnO替代CaO,通过传统的熔融冷却法制备无硼无氟玻璃系统玻璃。运用红外光谱分析(IR)、核磁共振等方法分析了玻璃结构的变化,并对玻璃的密度、介电常数、化学稳定性、工艺性能进行了测试,讨论微观结构与性能之间的关系。在此基础上设计优化得到最优无硼无氟玻璃纤维的配方。 无硼无氟玻璃纤维基础体系引入碱土金属氧化物MgO。红外光谱和核磁共振研究结果表明:在基础玻璃体系中,Al~(3+)没有完全进入玻璃网络结构,部分Al~(3+)以[AlO_6]的形式存在于网络结构;1.5mol%MgO的引入有利于剩余的Al3+进入网络结构,玻璃的网络结构增强。随着MgO取代量的增加,玻璃的密度逐渐增加;介电常数和介电损耗值降低;化学稳定性增强;析晶上限温度先降低后升高;拉丝温度逐渐降低,其中MgO取代量为3mol%-6mol%时,符合玻璃纤维的拉丝工艺要求。 无硼无氟玻璃纤维基础体系分别引入过渡金属氧化物TiO_2和ZnO的研究。①红外光谱分析表明,TiO_2取代量为1.5mol%-3mol%时,Ti~(4+)以网络外体的形式存在;取代量4.5mol%时,Ti~(4+)以[TiO4]形式进入网络结构;取代量6mol%时,Ti4+反极化作用明显,玻璃的网络结构先增强后降低。随着TiO_2取代量的增加,玻璃的密度逐渐增加;介电常数和介电损耗值均表现出先降低后增大的趋势;化学稳定性提高;析晶上限温度先降低后升高;拉丝温度逐渐降低。TiO_2取代量为1.5-3mol%时,符合玻璃纤维的拉丝工艺要求。②红外光谱测试表明,ZnO取代量为7.5mol%时,Zn~(2+)仍以网络外体的形式存在,玻璃的网络结构逐渐增强。随着ZnO取代量的增加,密度增加;玻璃介电常数先降低后增加;介电损耗逐渐降低;化学稳定性提高;析晶上限温度先降低后升高;拉丝温度逐渐降低。ZnO取代量为1.5-4.5mol%时,符合玻璃纤维的拉丝工艺要求。 根据前面的实验结果,考察了MgO、ZnO、TiO_2共同作用对无硼无氟玻璃纤维性能的影响,并得到最佳无硼无氟玻璃纤维配方。


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