玻璃纖維的性能與應(yīng)用

玻璃纖維的性能與應(yīng)用

0化纖新材料加工和利用的行業(yè)各行業(yè)作用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，觀念的變遷，紡織品應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從最初的一般穿著性的服用功能到環(huán)境的裝飾功能，再到滿足不同行業(yè)需求的特殊功能，紡織品應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了服裝使用、裝飾使用和工業(yè)使用三個(gè)領(lǐng)域。其中，產(chǎn)業(yè)紡織品是多學(xué)科齊聯(lián)互通、發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果。產(chǎn)業(yè)用紡織品之所以能夠滿足不同行業(yè)的特殊需求,與化纖工業(yè)的發(fā)展和化學(xué)纖維本身的特殊性能有著重要關(guān)系。例如,一些高性能纖維的強(qiáng)度和模量是鋼絲的5~10倍,甚至更高,同時(shí)又具有彈性和柔軟性;有的纖維具有各種特殊的功能,如抗菌、屏蔽各種射線和具有記憶功能等?；w新材料除了本身的性能優(yōu)異之外,其加工性能已非常好,可以加工成各種形態(tài),并可采取涂層、疊層、復(fù)合等不同后加工方法滿足各種不同的需要。如:碳纖維可以采取三維立體編織各種幾何形狀,在與樹(shù)脂復(fù)合后做成復(fù)合材料用于航空、航天、汽車和機(jī)械工程中,與鋼材相比,重量減輕3/4,而強(qiáng)度提高4倍;芳族聚酰胺纖維等高性能纖維經(jīng)復(fù)合后可做成復(fù)合裝甲、噴管喉襯、防彈頭盔、防彈衣等,已成為軍工裝備研制生產(chǎn)的關(guān)鍵材料?；w新材料在農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、飛機(jī)、汽車、市政建設(shè)、環(huán)保、造紙工業(yè)、體育器材和功能運(yùn)動(dòng)服中都有很多用途。而玻璃纖維的出現(xiàn),更將產(chǎn)業(yè)紡織品推進(jìn)一個(gè)新時(shí)代。1雙重性能玻璃纖維是一種新型的工程材料,具有不燃、耐腐蝕、耐高溫、吸濕小、伸長(zhǎng)小等優(yōu)良性能,在電氣、力學(xué)、化學(xué)以及光學(xué)等方面也有優(yōu)良的特性。1.1高阻力和低延伸率玻璃纖維比強(qiáng)度極高,超過(guò)了其他纖維與金屬,同時(shí)它的模量極高,具有很好的抗變形能力,斷裂伸長(zhǎng)率小于4%。1.2無(wú)長(zhǎng)期蠕蟲(chóng)在長(zhǎng)期荷載的情況下,玻璃纖維不會(huì)發(fā)生蠕變,使得其在與橡膠復(fù)合后的產(chǎn)品能長(zhǎng)期保持性能。1.3可靠性玻璃纖維的熔化點(diǎn)在1000℃以上,確保作為骨架材料時(shí),在高溫環(huán)境中保持性能的穩(wěn)定。1.4纖網(wǎng)中纖維素制品的應(yīng)用玻璃纖維的主要成分為硅酸鹽,除氫氟酸、磷酸外,不受油類、酸類、有機(jī)溶劑的侵蝕,因此在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。在短短的60年間,玻璃纖維制品的應(yīng)用己覆蓋工業(yè)、建筑、交通、信息通訊、生態(tài)環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。隨著先進(jìn)玻璃纖維池窯拉絲生產(chǎn)工藝的掌握和產(chǎn)量劇增,我國(guó)己名副其實(shí)地成為玻璃纖維生產(chǎn)大國(guó)。2玻纖產(chǎn)品的分類和應(yīng)用2.1組織形式對(duì)纖軟性的影響玻璃纖維在拉制過(guò)程中經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)劑的作用,獲得了柔軟性,使之易于紡織。在大多數(shù)情況下,玻璃纖維必須要有一定的組織形式才能充分發(fā)揮它的性能。玻璃纖維織物分為機(jī)織物與針織物兩大類。2.2增強(qiáng)塑料的基本特征在玻璃纖維的總產(chǎn)量中,約有70%用作復(fù)合材料的增強(qiáng)材料,其中主要用于塑料增強(qiáng)。玻璃纖維增強(qiáng)塑料(即玻璃鋼)是以合成樹(shù)脂為基體,以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料制成的,具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、剛度、耐氣候性、耐腐蝕性和耐用性;幾乎可設(shè)計(jì)和塑造成任何所需形狀,達(dá)到期望的美學(xué)要求;可實(shí)現(xiàn)部件整體成型,大大減少組裝零件數(shù)量,節(jié)省模具費(fèi)用。2.2.1鋼結(jié)構(gòu)車件和軌道車輛玻璃鋼用于汽車車身的最大優(yōu)點(diǎn)是減輕重量。與鋼材相比,玻璃鋼能使很多部件減重35%之多。其他特性還有:剛度高,能量吸收性好,不銹,防腐,不易產(chǎn)生壓痕和擦傷,設(shè)計(jì)靈活等。汽車工業(yè)是玻璃鋼的最大市場(chǎng)之一,采用玻璃鋼的汽車部件有:進(jìn)氣歧管、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、保險(xiǎn)杠、橫梁、車門(mén)板、儀表板、隔熱板等。使用玻璃鋼部件的軌道車輛有:高速火車、輕軌列車和地鐵,主要優(yōu)點(diǎn)有:減輕重量,降低能耗;使剎車和啟動(dòng)時(shí)能耗降低:提供優(yōu)良的強(qiáng)度和剛度性能指標(biāo);在樹(shù)脂中添加阻燃劑,具有防火性能,保證乘客安全;能吸收火車的大量振動(dòng),增加乘客的舒適度等;玻璃鋼適用于各種船只的設(shè)計(jì)和制造,其特點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、防水浸、維護(hù)量小。2.2.2碳纖維對(duì)材料碳化過(guò)程中frp的利用與加強(qiáng)玻璃鋼在建筑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近10年來(lái),舊建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的加固、修復(fù)和翻新已成為一種重要工程。由于長(zhǎng)期荷載、氣候老化、腐蝕、環(huán)境降解、不良設(shè)計(jì)或施工、缺乏維修以及天災(zāi)或事故等原因引起的建筑結(jié)構(gòu)如橋面、梁、柱、房屋、停車場(chǎng)等的老化給玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)塑料(FRP)帶來(lái)機(jī)遇。在加固技術(shù)獲得成功的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步應(yīng)用FRP進(jìn)行新的建設(shè)。這方面已有不少成功的范例,特別是步行橋的建設(shè)?；炷潦鞘澜缟嫌玫米顝V泛的建筑材料,但它有一個(gè)重大的缺陷:當(dāng)它的壓縮強(qiáng)度較高的時(shí)候,其拉伸強(qiáng)度則非常有限。通常利用鋼筋來(lái)克服這一缺點(diǎn),但是在腐蝕性很強(qiáng)的環(huán)境中,鋼筋腐蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和剝落,最終引起構(gòu)筑物毀壞。用玻璃鋼代替鋼做混凝土筋材,具有重量輕、屈服強(qiáng)度和彈性模量高、不生銹、耐腐蝕、防磁性能好等優(yōu)點(diǎn)。2.2.3鋼絞線是受荷于海上的主流能源開(kāi)發(fā)是玻璃鋼較新的應(yīng)用市場(chǎng),主要有風(fēng)力發(fā)電、海上采油采氣等。風(fēng)能是世界上發(fā)展最快的能源技術(shù),是無(wú)污染的清潔能源。風(fēng)力發(fā)電依靠渦輪機(jī)完成,其中渦輪機(jī)葉片是關(guān)鍵部件。由于增強(qiáng)塑料在重量、強(qiáng)度、氣動(dòng)彈性及其他性能方面的優(yōu)點(diǎn),它最能與風(fēng)力渦輪機(jī)的操作條件相匹配。玻璃鋼葉片已廣泛用于岸上和海上的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目。葉片制造商采用的玻纖原材料有短切原絲氈、連續(xù)原絲氈、無(wú)捻粗紗、單向和多軸向的縫編布和機(jī)織布等。海上石油和天然氣的開(kāi)采是前景廣闊的工業(yè),也是應(yīng)用玻璃鋼的新興市場(chǎng)。玻璃鋼產(chǎn)品耐腐蝕、耐紫外線照射、耐熱阻燃、輕質(zhì)高強(qiáng),這些特性都符合海上苛酷環(huán)境的要求。2.2.4航空結(jié)構(gòu)器件復(fù)合材料已在航空航天飛行器上獲得多種應(yīng)用,如飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、內(nèi)裝件、火箭和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、導(dǎo)彈彈藥箱、噴管、雷達(dá)罩和壓力容器等。由于剛度關(guān)系,航空結(jié)構(gòu)的外部通常多用非玻璃纖維的增強(qiáng)材料,但較小飛機(jī)的外部機(jī)身則可采用玻璃纖維增強(qiáng)。玻璃鋼在航空器中的成功應(yīng)用是商用飛機(jī)的內(nèi)部器件,如波音747飛機(jī)上層客艙的艙頂板等。在航天和軍事工程方面,玻璃鋼早就用作火箭、導(dǎo)彈的外殼或其發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼。玻璃鋼還在人造地球衛(wèi)星和電視衛(wèi)星等方面獲得了應(yīng)用。2.3氣體過(guò)濾的應(yīng)用玻璃纖維制品作為過(guò)濾材料,特別是在高溫氣體過(guò)濾方面占有重要一席。以紙、機(jī)織物、氈及覆膜為主要形態(tài),用于不同含污染物和要求凈化的氣體過(guò)濾,目前已大批量用于碳黑、水泥、冶金工業(yè)以及焚燒煙氣的除塵凈化。同時(shí),也用于人防工程、防毒工具、車輛空調(diào)的空氣過(guò)濾和超凈化室的空氣處理,并可以使過(guò)濾兼有殺菌、除異味效果?；诓ＡЮw維制品的化學(xué)穩(wěn)定性和高的過(guò)濾率,也被用于潤(rùn)滑油、重水、飲料等液體的過(guò)濾凈化。超細(xì)玻璃纖維還被用于生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室用精品過(guò)濾器。3最新的纖維應(yīng)用3.1浸漬劑與偶聯(lián)劑的應(yīng)用國(guó)外生產(chǎn)廠家在改善玻璃纖維性能方面作了大量的研究,并且取得了可喜的成果。他們不僅在前道拉絲工序采用不同的浸潤(rùn)劑對(duì)單絲進(jìn)行化學(xué)涂敷,而且在后道織布工序采用不同的偶聯(lián)劑對(duì)織物進(jìn)行表面化學(xué)處理,不同的浸潤(rùn)劑與不同的偶聯(lián)劑就是不同用途的產(chǎn)品。比如有一種超細(xì)玻璃纖維織物,國(guó)外稱為“貝它”紗。由于纖維直徑極細(xì),故它的柔軟性特別好。它比開(kāi)士米軟7倍,比“的確涼”滌棉布軟14倍,比一般工業(yè)用的玻璃纖維軟36倍,手感柔軟,耐皺折,可用作宇航服及充氣屋頂材料。國(guó)內(nèi)玻璃纖維行業(yè)由于很快推廣了池窯拉絲規(guī)模化生產(chǎn)新技術(shù),使玻璃纖維的產(chǎn)量迅速提高。目前連續(xù)玻璃纖維年產(chǎn)量已超過(guò)3.5×106t,礦物棉產(chǎn)量也達(dá)4.5×106t以上,我國(guó)成為世界上玻璃纖維生產(chǎn)大國(guó)之一。中國(guó)玻纖工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整呈現(xiàn)巨大成效,玻纖生產(chǎn)總量6.525×106t。3.2國(guó)內(nèi)碳纖維過(guò)濾材料的發(fā)展目前,國(guó)外玻璃纖維行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到擁有3000多個(gè)玻璃纖維品種,50000多個(gè)規(guī)格,每種規(guī)格都有一種用途相對(duì)應(yīng)。國(guó)外玻璃纖維產(chǎn)品按用途劃分基本上可分為四大類:增強(qiáng)熱固性塑料用玻璃纖維增強(qiáng)材料、增強(qiáng)熱塑性塑料用玻璃纖維增強(qiáng)材料、增強(qiáng)瀝青用玻璃纖維增強(qiáng)材料及玻璃纖維紡織材料。除了汽車、船艇等傳統(tǒng)產(chǎn)品外,玻璃鋼風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片、拉擠玻璃鋼門(mén)窗、玻璃鋼筋材、玻鋼雷達(dá)罩、連續(xù)成型玻璃鋼瓦及板材和混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)均是玻璃鋼新的應(yīng)用領(lǐng)域。玻璃纖維過(guò)濾材料作為玻璃纖維紡織材料應(yīng)用較廣的用途之一,近來(lái)也有很大發(fā)展。從1932年美國(guó)歐文斯-伊利諾斯(O-I)集團(tuán)公司首次將玻璃纖維用于強(qiáng)制通風(fēng)窯收塵,發(fā)展到如今的覆膜濾料,玻璃纖維過(guò)濾材對(duì)環(huán)保事業(yè)功不可沒(méi)。我國(guó)的玻璃纖維濾料和濾袋與袋式除塵技術(shù)是同步發(fā)展的。從20世紀(jì)60年代起,南京玻璃纖維研究院與北京建材研究院都分別開(kāi)展了玻璃纖維過(guò)濾材料的研究開(kāi)發(fā)工作,現(xiàn)已發(fā)展了連續(xù)玻璃纖維平幅過(guò)濾布、玻璃纖維針刺氈、玻璃纖維復(fù)合氈、玻璃纖維覆膜濾料等品種。除了這些傳統(tǒng)領(lǐng)域外,玻璃纖維還在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。玻璃纖維可用做吸聲隔音材料、絕熱材料、建筑防水材料、工程建筑材料和光導(dǎo)材料等。其中玻璃纖維作為光導(dǎo)材料大大改善了人類的生產(chǎn)與生活。最近,光纖在太陽(yáng)能傳輸?shù)膽?yīng)用為人類解決能源危機(jī)帶來(lái)福音;光化學(xué)納米TiO2光催化技術(shù)可用于分解難于降解的有機(jī)污染物,并能殺死細(xì)胞和病毒,在給水、廢水處理和殺菌消毒等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,具有潛在的高效性和經(jīng)濟(jì)性。玻璃纖維及其制品還在核能技術(shù)開(kāi)發(fā)中大顯身手。不含氧化硼的耐輻射玻璃纖維,已經(jīng)用作核反應(yīng)堆內(nèi)探測(cè)器電纜的絕緣材料及其它高溫導(dǎo)線的絕緣材料。另外,由于玻璃纖維具有的一系列優(yōu)異特性,在人類向海洋進(jìn)軍中,玻璃纖維將可大顯身手。如海底石油及礦產(chǎn)開(kāi)采,可用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)作開(kāi)采設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料和輸送管道、儲(chǔ)油罐及浮洞等,還可用作鉆機(jī)的摩擦制動(dòng)材料及治理海洋污染的凈化設(shè)備等。截至20世紀(jì),我國(guó)陸續(xù)發(fā)射成功數(shù)10顆各種類型的人造衛(wèi)星,并且已經(jīng)成為世界上第三個(gè)掌握衛(wèi)星回收技術(shù)的國(guó)家