本發明涉及一種環保型玻璃纖維及其制備方法，屬于材料科學技術領域。
背景技術：
玻璃纖維是一種新型無機非金屬功能材料和結構材料，具有拉伸強度高、彈性模量高、抗沖擊性能好、化學穩定性好、抗疲勞性好、耐高溫等一系列特點。玻璃纖維作為一種復合材料的增強材料，最初用于航空、航天和武器等軍工領域，隨著科學技術的進步和經濟的發展，玻璃纖維在民用工業領域如電子、通訊、風力、汽車、體育器材、建筑補強等也得到了廣泛的應用。但是其成型溫度高，采用多種貴金屬化合物原料，大大增加了生產成本，限制其商業化進程。
目前商業玻璃纖維產品主要有：美國的S玻璃纖維和Advantex玻璃纖維、歐洲的Hiper-tex玻璃纖維、日本的T玻璃纖維、法國的R玻璃纖維、俄羅斯的BMH玻纖和中國的HS玻璃纖維。這些玻璃纖維機械性能十分優越，但是生產成本過高，不符合目前保護環境節約資源的主題。例如，美國AGY公司生產的S-2TM高強度玻璃纖維，其成分僅為硅、鋁、鎂的氧化物組成，其含量為SiO2：65wt.%，Al2O3：25wt.%，MgO：10wt.%，該種纖維的優點是拉伸強度高(4600~4800 MPa)，但玻璃成型溫度較高，其液相溫度為1470 ℃，拉絲漏板溫度高達1570 ℃，需使用特殊的耐火材料及鉑、姥等貴金屬材料制成內襯的窯爐進行熔制，拉絲工藝條件茍刻，生產成本高。
為了有效解決成本高這一難題，各大玻璃纖維企業及研究院從摻雜物以及原料入手不斷的進行開發和改進。例如，重慶國際復合材料有限公司生產的高強度高模量玻璃纖維，在經典的SiO2-Al2O3-MgO三元系統玻璃基礎上，引入一定量的CaO以降低玻璃的熔化和纖維成型溫度。同時加入TiO2、ZrO2、Li2O、Fe2O3、CaF2、Na2O和K2O，以改善玻璃熔制和纖維成型的工藝性，提高玻璃的模量、強度和耐化學侵蝕性能，其玻璃纖維的成型溫度在1280 ℃左右；雖然大幅度降低了玻璃纖維熔制溫度和熔制時間，但其拉伸強度僅為3600~3900 MPa。此外，中國泰山玻璃纖維有限公司從原材料著手，采用硅砂、葉臘石、高嶺土、明礬石、生石灰、氧化鎂以及高爐渣一系列低成本原料制備一種高強度高模量玻璃纖維，其熔制溫度為1470 ℃，拉絲溫度為1310 ℃；但由于制備工藝繁瑣，并采用水淬急冷處理沒有足夠的時間進行鍵之間的排列從而降低了玻璃纖維的強度，其纖維拉伸強度僅為3100~3500 MPa。
由于玻璃纖維在電子工業、改性塑料、運動器材、航空航天等方面的應用越來越廣泛，生產過程中產生的廢料和廢氣對環境造成的危害也越來越嚴重。2015年全國玻璃纖維產量約650萬噸，其中僅僅在電子工業方面每年產生的廢料量就高達4萬多噸，掩埋和燃燒處理占用土地面積的同時也會造成空氣污染，特別是含硼、氟等元素的玻璃纖維，對動植物和人體都會造成致命危害。因此，在保證玻璃纖維具有高性能的情況下，減少原材料成本，不摻雜硼和氟等污染源元素，并有效降低玻璃的熔制溫度和拉絲操作溫度，對批量生產低成本環境友好型玻璃纖維具有重要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種低成本環保型玻璃纖維及其制備方法，在保證玻璃纖維具有高性能的同時，降低原材料成本，并有效降低玻璃的熔制溫度和拉絲操作溫度。
本發明的環保型玻璃纖維的組分及其重量百分數含量如下：
錢塘江流域淤泥70.0~78.0%、三氧化二鋁10.0~18.0%、氧化鈣5.0~8.0%、氧化鎂3.0~6.0%、二氧化鈦0.1~1.5%、三氧化鎢0.1~0.5%、三氧化二釔0.1~0.5%、二氧化鈰0.1~0.5%、氧化鋰0.1~1.0%，以上各組分百分數含量之和為100%。
本發明的環保型玻璃纖維的制備方法，包括以下步驟：
（1）將錢塘江流域淤泥敞開放置在空氣中，自然晾干，然后在120~200 ℃進行煅燒；
（2）將煅燒后的淤泥破碎，經200~300目的振動篩過篩，得到淤泥粉體；
（3）將淤泥粉體與三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化鎢、三氧化二釔、二氧化鈰以及氧化鋰按重量配比組合，然后置于1400~1500 ℃溫度下熔制3~6小時，得到熔融的玻璃液；
（4）將上述熔融的玻璃液的溫度降至1250~1350 ℃，開始拉絲，獲得玻璃纖維。
本發明中所述的錢塘江流域淤泥為錢塘江流域的自來水廠在凈化自來水過程中沉積或過濾出來的淤泥。
經過我們對錢塘江流域各自來水廠進行的詳細調研與分析，發現各自來水廠在凈化自來水過程中沉積或過濾出來淤泥的主要成分與含量基本一致，主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鉀和三氧化二鐵，都屬于制備玻璃纖維所需的主要原料。錢塘江流域的人口眾多、經濟發展迅速，其周圍的自來水廠依靠定點從錢塘江流域取水后凈化成自來水提供給居民使用，每天凈化過程中獲得數噸的淤泥。目前，自來水廠對這些淤泥的處理主要采用付費填埋的方式。
本發明具有以下有益特點：
本發明采用重量分數超過70%的錢塘江流域淤泥作為原料，大大減少了其它化工原料的使用、有效降低了玻璃纖維的制備成本。由于凈化自來水過程中獲得的淤泥是從錢塘江流域隨水而來，本身顆粒細小，淤泥中的硅、鋁、鈣、鉀和鐵等元素經過自然界處理已經充分均勻混合，因而在熔制玻璃纖維過程中可以有效降低熔制溫度并縮短熔制時間，從而節省玻璃纖維的制備成本。此外，由于淤泥取之于自然，所使用的原料中不含硼和氟的化合物，在玻璃纖維中添加的其它組分與環境友好，因此本發明的玻璃纖維在使用中與廢棄后均不對環境產生不利影響，能有效保護環境。而且，本發明還能夠幫助自來水廠處理沉積物或過濾物，獲得自來水廠提供的廢棄物處理費用，在變廢為寶的同時增加了產品的收益。
除使用錢塘江流域淤泥作為原料外，本發明還加入了其它化工原料，主要是為了補充原始淤泥作為玻璃纖維的不足。二氧化鈰和三氧化鎢是表面張力活性劑，能降低玻璃表面張力利于玻璃液的澄清，有效減少玻璃熔制中的氣泡，降低能耗成本；氧化鈣的引入能夠在一定程度上降低玻璃的熔化溫度和纖維的成型溫度。本發明具有良好的工業應用價值。
具體實施方式
下面結合實例對本發明作進一步描述。
實施例1：
按重量百分數分別稱取70%的錢塘江流域淤泥，以及18.0%的三氧化二鋁、5.5%的氧化鈣、6.0%的氧化鎂、0.1%的二氧化鈦、0.1%的三氧化鎢、0.1%的三氧化二釔、0.1%的二氧化鈰以及0.1%的氧化鋰。
將錢塘江流域淤泥敞開放置在空氣中自然晾干后，然后在120 ℃進行煅燒，隨后冷卻至室溫；取出后放入破碎機中破碎，經過200目的振動篩過篩獲得淤泥粉體。將上述淤泥粉體與三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化鎢、三氧化二釔、二氧化鈰以及氧化鋰進行組合配料，然后置于1500 ℃溫度下熔制6小時，得到熔融的玻璃液；隨后將玻璃液的溫度降至1350℃，開始拉絲，獲得玻璃纖維。
用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經受磨損的單根纖維，采用XQ-1A纖維拉伸儀測定纖維斷裂時的最大拉力L，用測量顯微鏡在900倍放大率的條件下測量纖維直徑，利用公式L/S（S為纖維橫截面積）計算的方法得到纖維拉伸強度，測試條件為最大拉力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min，由此測出的纖維單絲拉伸強度為4460 MPa。
實施例2：
按重量百分數分別稱取78%的錢塘江流域淤泥，以及10.0%的三氧化二鋁、5.0%的氧化鈣、6.0%的氧化鎂、0.2%的二氧化鈦、0.1%的三氧化鎢、0.2%的三氧化二釔、0.1%的二氧化鈰以及0.4%的氧化鋰。
將錢塘江流域淤泥敞開放置在空氣中自然晾干后，然后在200 ℃進行煅燒，隨后冷卻至室溫；取出后放入破碎機中破碎，經過300目的振動篩過篩獲得淤泥粉體。將上述淤泥粉體與三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化鎢、三氧化二釔、二氧化鈰以及氧化鋰進行組合配料，然后置于1450 ℃溫度下熔制5小時，得到熔融的玻璃液；隨后將玻璃液的溫度降至1300℃，開始拉絲，獲得玻璃纖維。
用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經受磨損的單根纖維，采用XQ-1A纖維拉伸儀測定纖維斷裂時的最大拉力L，用測量顯微鏡在900倍放大率的條件下測量纖維直徑，利用公式L/S（S為纖維橫截面積）計算的方法得到纖維拉伸強度，測試條件為最大拉力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min，由此測出的纖維單絲拉伸強度為4372 MPa。
實施例3：
按重量百分數分別稱取75%的錢塘江流域淤泥，以及10.8%的三氧化二鋁、8.0%的氧化鈣、3.0%的氧化鎂、1.5%的二氧化鈦、0.1%的三氧化鎢、0.1%的三氧化二釔、0.5%的二氧化鈰以及1.0%的氧化鋰。
將錢塘江流域淤泥敞開放置在空氣中自然晾干后，然后在150 ℃進行煅燒，隨后冷卻至室溫；取出后放入破碎機中破碎，經過250目的振動篩過篩獲得淤泥粉體。將上述淤泥粉體與三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化鎢、三氧化二釔、二氧化鈰以及氧化鋰進行組合配料，然后置于1450 ℃溫度下熔制3小時，得到熔融的玻璃液；隨后將玻璃液的溫度降至1280℃，開始拉絲，獲得玻璃纖維。
用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經受磨損的單根纖維，采用XQ-1A纖維拉伸儀測定纖維斷裂時的最大拉力L，用測量顯微鏡在900倍放大率的條件下測量纖維直徑，利用公式L/S（S為纖維橫截面積）計算的方法得到纖維拉伸強度，測試條件為最大拉力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min，由此測出的纖維單絲拉伸強度為4317 MPa。
實施例4：
按重量百分數分別稱取73%的錢塘江流域淤泥，以及14.1%的三氧化二鋁、6.0%的氧化鈣、4.0%的氧化鎂、1.0%的二氧化鈦、0.5%的三氧化鎢、0.5%的三氧化二釔、0.1%的二氧化鈰以及0.8%的氧化鋰。
將錢塘江流域淤泥敞開放置在空氣中自然晾干后，然后在180 ℃進行煅燒，隨后冷卻至室溫；取出后放入破碎機中破碎，經過200目的振動篩過篩獲得淤泥粉體。將上述淤泥粉體與三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、三氧化鎢、三氧化二釔、二氧化鈰以及氧化鋰進行組合配料，然后置于1400 ℃溫度下熔制4小時，得到熔融的玻璃液；隨后將玻璃液的溫度降至1250℃，開始拉絲，獲得玻璃纖維。
用取樣器和試樣條取漏孔與繞絲筒之間的未經受磨損的單根纖維，采用XQ-1A纖維拉伸儀測定纖維斷裂時的最大拉力L，用測量顯微鏡在900倍放大率的條件下測量纖維直徑，利用公式L/S（S為纖維橫截面積）計算的方法得到纖維拉伸強度，測試條件為最大拉力測試，選定纖維長度10 mm、拉伸速率8 mm/min，由此測出的纖維單絲拉伸強度為4291 MPa。