以高炉矿渣和石英砂为原料的无硼低介电常数玻璃纤维及其制备方法

摘要

本发明公开了一种以高炉矿渣和石英砂为原料的无硼低介电常数玻璃纤维及其制备方法，玻璃纤维中高炉矿渣55-65%，石英砂35-45%。本发明以高炉矿渣和石英砂为原料，通过对高炉矿渣原料的预处理，仅用两种原料即可制备出低介电常数玻璃纤维，制备过程简单，玻璃纤维的介电性能优良、工艺参数合理、可行性强、生产成本低廉，可以将高炉矿渣广泛应用于低介电常数铝硅酸盐玻璃纤维的生产。

说明书

技术领域

本发明涉及了使用高炉矿渣制备低介电常数玻璃纤维，可以用作印刷电路板的增强材料。

背景技术

近些年来，工业化与城市化的快速进程加速了废弃物的产生，占用了大面积的废渣填埋场地，把这些工业废弃物转变成有用的产品可以解决这一问题。高炉矿渣是众多工业废弃物中的一种，产生于钢铁冶炼过程中。高炉矿渣是炼铁生产过程中从高炉排出的副产品。在炼铁生产时，除了向高炉加入铁矿石、燃料等入炉原料外，还需要加入相当数量的石灰石、白云石作为助熔剂和造渣剂，当炉温高达1400-1600℃时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成铁和炉渣，高炉矿渣就是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质所组成的易熔物质。随着我国钢铁工业的发展，高炉渣的排放量日益增大。在全世界范围内，每年会产生高达175-225万吨的高炉矿渣。出于废弃物填埋政策与环境保护的考虑，许多公司将回收利用这些废弃物。高炉矿渣是一种潜在的资源，其主要成分为CaO、SiO₂、MgO和Al₂O₃等，可以用来制备玻璃或者微晶玻璃材料。因此将这些废弃物转变成性能优良的产品，既可以解决环境问题，实现可持续发展，还能为企业降低生产成本，提高经济效益。

铝硅酸盐体系玻璃纤维是电子工业的基础材料，主要作为印刷电路板的增强材料，但同时还应具备优异的介电性能，较低的介电常数有利于电子器件工作中信号的高效传输。随着信息技术的快速发展，对印刷电路板的介电性能提出了更高的要求，因此具备优异介电性能的印刷电路板增强材料―铝硅酸盐体系玻璃纤维是必不可少的。目前使用最广泛的低介电常数玻璃纤维为日本Typical公司生产的E玻璃纤维，其介电常数在6.8左右。另外一些低介电常数玻璃纤维如D玻璃、NE玻璃等虽然具备更低的介电常数，但是其氧化硼的含量非常高（高达30wt%），在玻璃纤维制备过程中，虽然氧化硼可以起到促进熔融，并且可以提高介电性能的优势，但是在熔制过程中氧化硼的挥发对于玻璃纤维的生产具有非常不利的影响，比如影响产品组分均匀、损坏窑炉、污染环境以及增加生产成本等，因此制备环境友好型无硼低介电常数玻璃纤维极其重要。

国内生产玻璃纤维的厂家主要有泰山玻纤，巨石集团，珠海功控等，在生产中使用的原料主要是叶腊石，硼酸钙等昂贵进口原材料。因此在生产成本上，高炉矿渣由于低廉的价格因而具备了突出的优势。高炉矿渣中含有一定量的CaO、SiO₂、Al₂O₃和MgO，如果以其为原料制备铝硅酸盐玻璃纤维，则会大大降低生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种以高炉矿渣和石英砂为原料的无硼低介电常数玻璃纤维，该玻璃纤维不含硼、介电性能优良，原料种类少、成本低。

本发明还提供了该无硼低介电常数玻璃纤维的制备方法，本发明方法对高炉矿渣进行特殊的预处理，使其能够更好的应用与玻璃纤维中，预处理后的高炉矿渣仅与石英砂搭配即可得到性能好的玻璃纤维，成本低。

高炉矿渣中各组分的含量如下：SiO₂31-40wt%、Al₂O₃12-18wt%、CaO35-45wt%、MgO7-10wt%、Na₂O0.3-0.5wt%、K₂O 0.20-0.25wt%、铁氧化物(FeO+Fe₂O₃)0.4-0.6wt%、S 0.20-0.5wt%、TiO₂ 0.35-0.5wt%。所述S表示含硫成分，下同。其中所含的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等组分都是玻璃纤维的组成成分，这些组分的存在为高炉矿渣用作玻璃纤维的原料提供了可能。

分析高炉矿渣中各成分的作用，其中SiO₂是玻璃纤维中重要的网络形成体，对玻璃纤维的性能具有重要的影响，一定含量的SiO₂，可使得玻璃纤维具有优良的介电性能、机械强度及化学稳定性。SiO₂含量太低，会使得玻璃纤维的性能较差，不能满足玻璃纤维的要求，SiO₂的含量也不能过高，否则玻璃纤维高温粘度会比较大，熔制比较困难。

Al₂O₃也是铝硅酸盐玻璃纤维的重要组成部分，对铝硅酸盐玻璃纤维的结构和性能具有重要的影响，起着网络中间体的作用，因为玻璃纤维如果全部采用SiO₂，则会造成制备困难，而Al₂O₃可以起到网络形成体的作用，因此可使用部分Al₂O₃来替代SiO₂。同时Al₂O₃还可充当网络修饰体，可适当降低玻璃纤维的熔制温度。

MgO和CaO在铝硅酸盐玻璃纤维中充当重要的网络修饰体，它们可以提供游离氧，这些游离氧可以用于形成铝氧四面体，另外，修饰体顾名思义是对玻璃纤维网络产生改变作用，通常会断开硅氧四面体的连续空间排布，使得连在硅氧四面体上的桥氧变为非桥氧，即该氧一端与硅连接，另一端与钙或镁等修饰体阳离子连接，因为钙或镁并不参与构成玻璃纤维的网络结构。所以，氧化钙和氧化镁的存在会破坏玻璃纤维连续的硅氧四面体结构，产生结构终端。网络修饰体的存在在一定程度上对玻璃纤维的性能是有益的，比如可以降低熔融温度，为氧化铝提供游离氧使之形成铝氧四面体，从而形成连续的硅氧，铝氧结构，而不至于分相。过多的网络修饰体会破坏硅氧四面体结构，对玻璃纤维的性能产生差的影响，因此要对它们的用量进行控制。

Na₂O、K₂O及FeO等对玻璃纤维的介电性能具有不利的影响，在纤维中它们的含量需要控制到很小，否则会使介电常数升高。

通过以上分析，发现高炉矿渣中SiO₂含量过低、氧化钙含量过高，对玻璃纤维形成及性能不利，因此考虑引入其他原料来克服这一问题。为了尽量的提高高炉矿渣的利用率，发明人致力于在原料中采用尽量多的高炉矿渣，并尽量减少原料的种类，以降低成本。本发明采用石英砂来引入SiO₂。引入石英砂后，通过调整它们的用量，使SiO₂含量为55-65%，在此情况下，氧化钙的含量也得到降低，为20-25%，满足制备玻璃纤维的要求。因此，理论上可以仅由高炉矿渣和石英砂为原料制备玻璃纤维。

通过以上对原料选择的分析，发明人以高炉矿渣为主要原料，仅与石英砂搭配来制备玻璃纤维，以提高高炉矿渣的利用率，同时对原料的用量关系进行调整，以期能形成性能好的玻璃纤维。但在试验中发现，仅用高炉矿渣和石英砂虽然能制成玻璃纤维，但是产品的介电常数和介电损耗较大，作为印刷电路板增强材料无优势。

经进一步研究，推测介电常数和介电损耗比较大有可能是矿渣中FeO和Fe₂O₃的相互作用引起的。因此，发明人先对高炉矿渣进行预处理，然后再与石英砂混合制备玻璃纤维，所得的产品在介电常数和介电损耗上都有了较大降低，满足要求。

最终，发明人确定了以预处理的高炉矿渣为主要原料，与石英砂搭配制备无硼的介电性能优良的玻璃纤维的思路，提高了高炉矿渣的利用率，实现了废物利用，降低了生产成本。具体技术方案如下：

一种无硼低介电常数玻璃纤维，由以下重量百分比的原料制成：高炉矿渣55-65%，石英砂35-45%。

上述的无硼低介电常数玻璃纤维，优选由以下重量百分比的原料制成：高炉矿渣56%，石英砂44%。

上述无硼低介电常数玻璃纤维中，原料高炉矿渣在使用前要先经过预处理，其预处理过程为：将高炉矿渣置于高温炉中，在空气气氛下，于600℃或高于600℃下保温2-3小时，优选在700℃下保温3h。

预处理能提高产品性能的原因目前尚在研究当中，初步推断有可能是矿渣中含有同时含有FeO和Fe₂O₃，虽然在该玻璃组分中这两种成分含量很少，但是其对介电性能的影响是比较明显的，相关研究报道也证实了这一点。在玻璃中Fe²⁺分布于网络间隙中，充当网络修饰体，破坏玻璃的网络结构，而Fe³⁺在玻璃网络中以FeO₄的形式存在，即参与网络形成。另外，在外加电场作用下，Fe²⁺和Fe³⁺之间会形成偶极子极化，这将增大玻璃的介电常数和介电损耗。预处理将矿渣中的FeO的进一步氧化为Fe₂O₃，由此减弱了Fe²⁺和Fe³⁺之间的偶极子极化，同时也增加了Fe³⁺的含量（Fe³⁺作为网络形成体），因而降低了介电常数和介电损耗。

实际上，在玻璃纤维原料的高温熔制过程中，也会使得二价铁部分氧化，即延长熔融时间也可以完成对二价铁的氧化，但是在高温熔制过程中，由于窑炉相对密闭的空间会限制氧气与原料的充分接触，降低氧化效率，而且延长高温熔融时间会消耗更多的能源。因此可以预先对高炉矿渣进行低温处理，并提供充足的空气与之反应，既节约能源，又提高预处理效率。

本发明所得无硼低介电常数玻璃纤维含有以下成分：SiO₂55-65wt%，Al₂O₃7-10wt%，CaO20-25wt%，MgO4-6wt%，Na₂O 0.26-0.3wt%，K₂O0.28-0.3wt%，TiO₂ 0.24-0.3wt%，铁氧化物0.2-0.24wt%，S 0.24-0.3wt%。其中，S表示含硫成分，下同。

本发明无硼低介电常数玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）高炉矿渣的预处理：取高炉矿渣，置于高温炉中，在空气气氛下，于600℃或以上的温度保温2-3小时，进行预处理；

（2）玻璃样品的制备：将预处理的高炉矿渣和石英砂按配比混合均匀，在1500℃熔融3h，得玻璃液，然后将玻璃液浇铸于石墨模具中，在750℃保温1小时，使得玻璃充分退火，消除内应力，然后冷却至室温，得无硼低介电常数玻璃。测试其相关性能，如介电性能、熔化温度和拉丝温度等；

（3）玻璃纤维的制备：根据第二步测试所得的拉丝温度，将预处理的高炉矿渣和石英砂按配比混合均匀，在1500℃熔融3h，得玻璃液，然后将玻璃液在拉丝温度下按照常规工艺（例如池窑拉丝设备）拉制成玻璃纤维。

经过上述制备方法制得的玻璃纤维介电常数和介电损耗小，具有很好的应用价值。本发明选择高炉矿渣作为玻璃纤维的主要原料，高炉矿渣的在原料中的含量最高可达到65%，利用率高，变废为宝，最大程度的实现了资源的回收利用。在使用之前，对高炉矿渣进行预处理，使制备出来的玻璃纤维介电性能优良，可以广泛的用作印刷电路板的增强材料。

本发明对高炉矿渣进行了预处理，使高炉矿渣可以用于玻璃纤维的原料，变废为宝，预处理后的高炉矿渣仅和石英砂搭配即可制得玻璃纤维，高炉矿渣的含量超过50%，最高可达65%，大大提高了高炉矿渣的利用率，降低了生产成本。所得的玻璃纤维不含硼，介电性能优良、可行性强、成本低，可以广泛用作印刷电路板的增强材料。

附图说明

图1为实施例1中样品8的XRD图谱。

图2为实施例1中样品8的红外光谱。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的解释，下述实施例仅是为了帮助本领域技术人员更好的理解本发明，并不对其内容进行限定。

下述实施例中，所用的高炉矿渣和石英砂的组分如下表1所示。

实施例1

玻璃和玻璃纤维的制备方法类似，本发明的原料即可以制备成玻璃，又可以制备成玻璃纤维，制备玻璃的方法是将原料熔融成的玻璃液浇铸、退火；制备玻璃纤维的方法是将原料熔融成的玻璃液在拉丝温度按照常规工艺拉丝。本发明实施例为了便于测试玻璃纤维的相关工艺参数，将其制成玻璃样品。

按照下表2的原料配方称取原料，制备成玻璃样品，玻璃的制备方法如下：将经预处理的高炉矿渣或未经预处理的高炉矿渣按照表2的配方与石英砂混合均匀，放入升降式坩埚电炉中，于1500℃熔融3小时后浇入石墨模具中，然后送入升降式坩埚电炉中进行退火（将玻璃液浇铸于石墨模具中，在750℃保温1小时，使得玻璃充分退火），以消除玻璃块内部的应力，最后随炉冷却至室温。其中高炉矿渣的预处理过程如下：将高炉矿渣置于高温炉中，在空气气氛下，于700℃保温3小时，进行预处理。

上述原料制得的产品经X射线荧光光谱分析得到其化学组成如下表3所示，同时提供已经商业化的电子玻璃纤维—E玻璃的组分以作为对比：

图1所示为本发明所制备样品8的X射线衍射结果，从图中可以看出该产品为非晶态，没有析晶现象的发生。

图2所示为样品8的傅里叶转变红外光谱图，其中800-1300 cm^-1的振动带代表硅氧四面体结构基团，600-800 cm^-1代表Si-O-Al的振动，其中Si来自硅氧四面体，Al来自铝氧四面体。400-600 cm^-1代表Si-O-Al的振动，因此红外光谱图展示出了典型的铝硅酸盐玻璃结构。由图1和图2可知，本发明利用高炉矿渣和石英砂制备出了无析晶现象的产品。

其他样品的XRD图和红外光谱图与图1和图2类似，故不再给出。

分别测试各样品和对比E玻璃的各性能，测试方法如下：

1、根据国际标准使用梯温炉和高温粘度仪测试上述样品的熔化温度和拉丝温度。

2、将成型后的玻璃块进行切割，得到长宽尺寸约为10mm×10mm，厚度约为2mm厚的玻璃片，将玻璃片打磨、抛光、用无水乙醇洗净、干燥。在玻璃两面涂上导电银漆胶，从而提高样品与测试夹具之间的导电性，然后将样品干燥。使用Agilent 4294A精密阻抗分析仪测量玻璃的电容和介电损耗，介电损耗直接由测试仪器得出，介电常数根据下式计算：

各样品性能数据如下表4所示：

表3和表4为所得产品的组分和性能数据，从样品1和2的对比可以看出，经过预处理后，产品的介电常数和介电损耗降低。从样品2-7的对比可以看出，在本发明50-65%的高炉矿渣范围内，所得的产品的介电常数和介电损耗均较低。通常情况下高炉矿渣含量过低会导致过高的熔制温度，不利于生产操作，但高炉矿渣含量过高也会增大产品的介电常数和损耗，不利于性能。且在本发明范围内，随着高炉矿渣的增加（从样品8至样品2），产品的介电常数变大，这主要是因为氧化硅含量的减少使得玻璃网络结构致密度变弱，从而导致自由离子在外电场作用下运动能力增大，导致介电常数和介电损耗的增大，当高炉矿渣含量为56%时，产品介电性能性能最佳，且熔制温度不会过高。

此外，对于玻璃纤维来说，最重要的指标是拉丝温度和熔化温度，生产经验表明玻璃纤维在拉丝过程中，成丝温度和熔化温度之间的间距必须大于50℃，才能保证在拉丝过程中不会发生析晶现象，本发明所有样品的拉丝温度和熔化温度之间的差值△T均大于50℃, 这样能够保证玻璃纤维在拉丝过程中不会发生析晶现象，由此可见，本发明玻璃纤维在制备过程中均不会产生析晶现象，是可取的。通过本发明样品与E玻璃的性能对比可以看出，本发明样品介电常数与损耗均与E玻璃相近，甚至低于E玻璃，表现出来的介电性能更优于E玻璃。

按照实施例表2提供的原料配方，先将高炉矿渣置于高温炉中，在空气气氛下，于600℃或高于600℃保温2-3小时（优选700℃保温3h）；然后将经预处理的高炉矿渣与石英砂混合均匀，经过高温熔融，制成玻璃液，然后将各玻璃液在表4中所述的拉丝温度下，按照常规工艺拉丝，即可得到玻璃纤维。

由以上对比可以看出，本发明玻璃纤维原料廉价、易得，介电性能优良，T_log3、T_l和△T工艺参数合理，可以广泛用作印刷电路板的增强材料，也为高炉矿渣的回收利用提供了很好的途径，具有很强的应用前景。