玻璃纖維的性能和應(yīng)用

玻璃纖維的性能與應(yīng)用摘要：由于玻璃纖維含有絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高等許多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。本文通過(guò)總結(jié)和整頓，簡(jiǎn)樸敘述了玻璃纖維的特有性能以及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。核心詞：玻璃纖維；性能；應(yīng)用；復(fù)合材料1.前言玻璃纖維（英文原名為：glassfiber或fiberglass）是一種性能優(yōu)秀的無(wú)機(jī)非金屬材料，種類繁多，優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是性脆，耐磨性較差。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個(gè)微米到二十幾米個(gè)微米，相稱于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲構(gòu)成。2.玻璃纖維的發(fā)展玻璃纖維有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史。上世紀(jì)三十年代，美國(guó)人發(fā)明了用鉑坩堝持續(xù)拉制玻璃纖維和用蒸汽噴吹玻璃棉的工藝后，玻璃纖維的生產(chǎn)才形成了當(dāng)代工業(yè)。隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)玻璃纖維的力學(xué)、耐熱等性能提出了更高的規(guī)定，促使六十年代以來(lái)出現(xiàn)了許多特種玻璃纖維，如耐高溫玻璃纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維、高模量玻璃纖維等。在高性能玻璃纖維的發(fā)展過(guò)程中最引人注目的是1996年3月在第41次SAMPE國(guó)際會(huì)議上，道康寧公司初次發(fā)表的高強(qiáng)度玻璃纖維"ZenTron”，它是以高硅含量玻璃為原料制成，采用被稱為Single-bushing(單套管)或Single-end(單頭)30型的技術(shù)成纖的。此產(chǎn)品后解決工序少，可避免纖維的損傷，并能減少成本。我國(guó)研究玻璃纖維也有幾十年的歷史。早在1958年，我國(guó)以手糊工藝研制了玻璃鋼船，以層壓和卷制工藝研制了玻璃鋼板和火箭筒等。1960年在北京、上海和哈爾濱相繼成立了科研機(jī)構(gòu)。1961年研制成功了玻璃纖維耐燒蝕端頭，1970年用手糊夾層構(gòu)造板制造了44m大型玻璃雷達(dá)罩，1975年成立了玻璃鋼學(xué)會(huì)，1983年中國(guó)建筑材料研究院試制成功了抗堿玻纖增強(qiáng)硫酸鋁酸鹽低堿水泥復(fù)合材料，1988年武漢工業(yè)大學(xué)研究成功高性能玻纖增強(qiáng)氯氧鎂復(fù)合材料，現(xiàn)在，這兩種復(fù)合材料均已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，在建筑工程中廣泛用于墻體、防火門、水箱、通風(fēng)管道、衛(wèi)生間吊頂、溫室框架和藝術(shù)制品等。3.玻璃纖維的制造用于紡織加工的玻璃纖維有長(zhǎng)絲和短纖維兩種。能夠采用傳統(tǒng)的紡織工藝將長(zhǎng)絲制成多個(gè)產(chǎn)品，而短纖維多被加工成非織造布。制造玻璃纖維使用的原料重要有硅土、石灰石、粘土、螢石、硼酸及硫酸鈉等。將這些原料通過(guò)空氣管道輸送到計(jì)量秤上，然后在混合室混合均勻，通過(guò)供料筒，喂入熔礦爐。在熔礦爐中，混合原料被加熱至1600°C，形成液態(tài)玻璃，緩慢地流向紡絲板。紡絲板上噴絲孔的數(shù)目可為200、400、600、800或更多。高粘度的玻璃熔體再流過(guò)噴絲孔，由高速卷繞裝置將纖維拉伸卷繞，便制得玻璃長(zhǎng)絲。普通單絲的直徑為6～13μm，通過(guò)變化紡絲板的溫度能夠調(diào)節(jié)單絲的直徑。在制造時(shí)，為了確保玻璃纖維在紡紗等后加工過(guò)程中的加工性能，能夠在玻璃纖維呈液態(tài)時(shí)加入一定量的粘合劑、潤(rùn)滑劑、反映基、抗靜電劑等整頓劑。4.玻璃纖維的性能4．1力學(xué)性能下表給出了玻璃纖維、碳纖維和部分慣用紡織纖維及金屬材料的重要性能。材料種類 密度(g／cm3) 斷裂強(qiáng)度(N) 伸長(zhǎng)率(％)玻璃纖維 2．54 1370～1470 2～3棉 1．50 255～686 7～10蠶絲 1．25 392～520 1．3～31錦綸 1．14 44～588 26～32碳纖維 1．80 2790～3100 1．5～1．6鋁 2．70 127～177 4～8鋼 7．80 363～441 20～30從表中能夠看出，玻璃纖維在下列幾個(gè)方面含有獨(dú)特的性能：(1)密度玻璃纖維的密度高于有機(jī)纖維，但低于金屬纖維。(2)斷裂強(qiáng)度玻璃纖維含有較高的拉伸強(qiáng)度，在相似重量時(shí)，其斷裂強(qiáng)度比鋼絲高2～4倍。因而人們又稱它為玻璃鋼。(3)尺寸穩(wěn)定性玻璃纖維不會(huì)因環(huán)境溫度變化而變形，最大伸長(zhǎng)率僅為3％。玻璃纖維的應(yīng)力應(yīng)變之間保持線性關(guān)系，直至斷裂。(4)硬度玻璃纖維的硬度較高，約為錦綸的15倍。玻璃纖維的硬度與其固有的脆性相結(jié)合，構(gòu)成了突出的低彎曲阻抗性。在對(duì)玻璃纖維進(jìn)行紡織加工的過(guò)程中，玻璃纖維會(huì)受到彎曲應(yīng)力，為了提高纖維的彎曲阻抗性，其直徑應(yīng)減少。4．2耐熱性能玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)纖維，它本身不會(huì)引發(fā)燃燒，并且有較好的耐熱性，這在紡織纖維中是很獨(dú)特的。玻璃纖維在較低的溫度下受熱，其性能雖變化不大，但會(huì)引發(fā)收縮現(xiàn)象。玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，因而它慣用于管道和容器的隔熱，以及作為成型件的絕緣殼。4．3化學(xué)穩(wěn)定性能玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，取決于其化學(xué)構(gòu)成、介質(zhì)性質(zhì)、溫度和壓力等條件。玻璃纖維對(duì)腐蝕性化學(xué)品如酸和堿，有好的阻抗，它幾乎不受有機(jī)溶劑的影響，并對(duì)大多數(shù)無(wú)機(jī)化合物是穩(wěn)定的。4．4電性能玻璃纖維含有高的比電阻和低的電介質(zhì)常數(shù)。玻璃纖維的電性能重要取決于玻璃的化學(xué)成分，特別是堿氧化物的含量。4．5其它性能玻璃纖維含有耐老化、防腐、防霉、抗紫外線輻射等性能。采用適宜的表面解決劑，能夠改善玻璃纖維的加工性能。但玻璃纖維也存在某些由于其本身化學(xué)性質(zhì)所帶來(lái)的性能方面的缺點(diǎn)，如玻璃纖維脆性大，耐磨性差，柔軟性差，不耐彎曲。纖維斷落的纖維頭，觸及人體使人難受，特別會(huì)使皮膚發(fā)癢。再者，玻璃纖維吸濕性差，染色困難。制造成本較高。5.玻璃纖維的應(yīng)用不同的紡織復(fù)合材料，造價(jià)與性能不同，應(yīng)用領(lǐng)域也不同。到現(xiàn)在為止，玻璃纖維在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。5．1土木建筑在建筑業(yè)，玻璃纖維已廣泛應(yīng)用于冷卻塔、儲(chǔ)水塔以及衛(wèi)生間的浴盆浴缸、門窗，安全帽和通風(fēng)設(shè)備等。另外由于玻璃纖維不易沾污、隔熱和不燃燒，因此它在建筑裝飾上應(yīng)用日益廣泛。玻璃纖維在基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用，重要有橋梁、碼頭、棧橋和臨水構(gòu)造等。沿海和島上的建筑容易受到海水的腐蝕，這最能發(fā)揮玻璃纖維材料的特長(zhǎng)。5．2交通運(yùn)輸玻璃纖維用于交通運(yùn)輸重要是在航空航天工業(yè)和汽車及火車制造工業(yè)上?，F(xiàn)在，波音747飛機(jī)使用玻璃纖維復(fù)合材料構(gòu)件的總面積已達(dá)成929m2。玻璃纖維可用作汽車的零部件，轎車的整體殼體，還能夠用來(lái)制造漁船，其工藝簡(jiǎn)樸，防腐防蝕，維修頻數(shù)和保養(yǎng)費(fèi)低，使用壽命長(zhǎng)。5．3機(jī)械工業(yè)用玻璃纖維增強(qiáng)后的聚苯乙烯系塑料，其機(jī)械性能，制品的尺寸穩(wěn)定性以及耐熱耐沖擊強(qiáng)度都有很大的提高，廣泛用于家用電器零件、機(jī)殼等。玻璃纖維增強(qiáng)聚甲醛還被廣泛地用來(lái)替代有色金屬，用于制造傳動(dòng)零件，如軸承、齒輪和凸輪等。5．4化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，玻璃纖維的出現(xiàn)給化學(xué)工業(yè)帶來(lái)了光明的前景。玻璃纖維重要用于制造多個(gè)槽、罐、塔、管道、泵、閥和風(fēng)機(jī)等化工設(shè)備及配件。玻璃纖維耐腐蝕，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，但普通只能用于低壓或常壓設(shè)備，且溫度不超出120℃。5．5環(huán)境領(lǐng)域生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展所必需的生態(tài)因素，我國(guó)政府明確指出保護(hù)環(huán)境是我國(guó)長(zhǎng)久堅(jiān)持的基本國(guó)策。玻璃纖維因其優(yōu)良的各項(xiàng)性能在大氣、水、生物、土壤等環(huán)境領(lǐng)域都有著較為廣闊的應(yīng)用。玻璃纖維過(guò)濾材料在改善廢氣成分、減少粉塵排放量等方面做出了相稱大的奉獻(xiàn)。美國(guó)HollingSworth&Vose公司開(kāi)發(fā)的低硼玻璃纖維過(guò)濾材料能夠解決懸浮分子污染帶來(lái)的問(wèn)題[1]。一種用高硅氧玻璃纖維制成的過(guò)濾布能用于800℃以上的高溫氣體中濾除固體粉塵，可直接用于工業(yè)窯爐廢氣的消煙除塵而無(wú)需先對(duì)廢氣冷卻，從而減少了廢氣解決的費(fèi)用。另外，一種玻璃纖維空氣過(guò)濾紙，是由玻璃纖維和脫臭劑沸石構(gòu)成，用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中能夠除去空氣中的異味，如煙草煙臭味，從而達(dá)成凈化空氣的目的。玻璃纖維在水環(huán)境和土壤環(huán)境中亦有較好的應(yīng)用。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研制的由酚醛涂層玻璃纖維制成的耐磨織物能夠有效而方便的替代慣用的活化碳粒子來(lái)吸取環(huán)境污染物。OC公司在比利時(shí)的Battice工廠采用Advantex玻璃纖維技術(shù)實(shí)現(xiàn)了廢水解決和回收的技術(shù)升級(jí)，使耗水量減少了50%以上，廢水中污染物含量減少約80%[2]。玻璃纖維與有機(jī)纖維材料結(jié)合加工成土工材料可用于防水土流失。德國(guó)一家公司研制出一種把玻璃纖維和合成纖維用作土壤加固材料的辦法，可提高土壤的強(qiáng)度。另外通過(guò)玻璃纖維和合成纖維加固土壤，能夠用于制作固體廢棄物的填埋坑。5．6生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域由于玻璃纖維的優(yōu)良性能是玻璃纖維織物含有強(qiáng)度高、不吸濕、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，因而可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用作矯形和修復(fù)材料、牙科材料、醫(yī)用器材等。與傳統(tǒng)的棉布石膏繃帶相比，玻璃纖維織物與多個(gè)樹(shù)脂制作的矯形繃帶克服了以往石膏繃帶強(qiáng)度低、吸濕、尺寸不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。英國(guó)H.D.Michael等人[3]發(fā)明的由水溶性磷酸鹽玻璃纖維和一種生物降解性聚合物構(gòu)成的復(fù)合材料可用于病人體內(nèi)損傷組織的修復(fù)。日本北海道大學(xué)、千葉工學(xué)院研究的一種由生物相溶性玻璃CPSA生產(chǎn)的玻璃纖維塑性非常好，將其加工成球狀和束狀兩種幾何形狀不同的構(gòu)造，與成骨蛋白（BMP）結(jié)合并植入動(dòng)物體內(nèi)，以次可研究成骨誘導(dǎo)因素制成骨組織工程戰(zhàn)略[4]。通過(guò)研究人員的多次實(shí)體實(shí)驗(yàn)，證明CPSA復(fù)合材料含有抱負(fù)的生物相溶性，并且CPSA玻璃纖維在牙科中已投入臨床應(yīng)用。實(shí)踐證明，玻纖膜濾材對(duì)空氣的阻力，細(xì)菌過(guò)濾效率很高[5]。5.7航天航空領(lǐng)域航天航空領(lǐng)域薈萃了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的科技成果，也是新材料科學(xué)技術(shù)水平的集中展示。隨著我國(guó)在該領(lǐng)域的大力發(fā)展，高性能玻璃纖維復(fù)合材料已成為航天航空工業(yè)中不可或缺的一種材料，與鋁合金、鋼和鈦合金3大金屬材料共同成為支撐航天航空事業(yè)發(fā)展的基石[6]。在航空上，無(wú)論是民用客機(jī)還是軍用飛機(jī)都使用了玻纖復(fù)合材料。如在內(nèi)外側(cè)副翼、方向舵和擾流板等處都有用到。纖維增強(qiáng)塑料有效地減輕了飛機(jī)質(zhì)量，提高了商用載荷，節(jié)省了能源?？团搩?nèi)的頂板、行李箱、各類儀表盤、機(jī)身空調(diào)艙、蓋板等都用到了纖維增強(qiáng)工程塑料，達(dá)成了質(zhì)輕美觀耐用的效果。在航天領(lǐng)域，高性能玻纖復(fù)合材料作為主承力構(gòu)造材料在運(yùn)載火箭和航天器上的應(yīng)用越來(lái)越普遍。運(yùn)用纖維纏繞工藝制造的纖維/環(huán)氧復(fù)合材料固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼是近代復(fù)合材料發(fā)展史上的一種里程碑，它含有耐腐蝕、耐高溫、耐輻射、阻燃、抗老化的性能[7]。航天器上的防燃材料大量采用了纖維、高硅氧增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂。另外科研人員對(duì)玻璃纖維表面進(jìn)行了化學(xué)解決，有效的改善了玻璃纖維的脆性，從而制得了一種超細(xì)玻璃纖維織物，比開(kāi)司米軟7倍，比確實(shí)良布軟14倍，成功的用于宇航服的制作[8]?？傊ＡЮw維這種材料從我國(guó)神舟2號(hào)開(kāi)始直到神舟7號(hào)載人飛行均獲得了成功應(yīng)用。另外，玻璃纖維在絕緣、防熱、增強(qiáng)和過(guò)濾等材料方面，已在很大程度上取代了石棉。如：羅果,鄭熾嵩等人[9]對(duì)玻璃纖維與植物纖維的配抄性能研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用25%的玻璃纖維和75%的劍麻纖維,打漿度為36°SR時(shí)進(jìn)行配抄,其強(qiáng)度和松厚度能達(dá)成過(guò)濾材料的規(guī)定。同時(shí)，玻璃纖維在新能源開(kāi)發(fā)、環(huán)保、旅游和工藝美術(shù)等諸多方面，也得到了應(yīng)用。6．總結(jié)與展望我國(guó)玻璃纖維起步于20世紀(jì)50年代，通過(guò)50余年的努力，也有著不凡的發(fā)展。據(jù)資料介紹，左右我國(guó)玻璃纖維產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/10，排名第5、6位。我國(guó)玻璃纖維總產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的1/3，排名第一[10]，同時(shí)我國(guó)的中國(guó)巨石集團(tuán)有限公司及中國(guó)泰山玻纖股份有限公司分別為世界玻璃纖維公司排名的第三、第五名。由于下列幾方面因素，我國(guó)玻璃纖維產(chǎn)業(yè)有著較好的發(fā)展空間。一是玻纖市場(chǎng)供不應(yīng)求因素，在纏繞和SMC等FRP產(chǎn)品生產(chǎn)中，玻纖缺口量在20%左右；增強(qiáng)塑料和工程塑料的發(fā)展推動(dòng)FRTP的快速發(fā)展也使玻纖供不應(yīng)求；覆銅板工業(yè)的發(fā)展，是我國(guó)成為世界CCL制造基地，也對(duì)玻纖基地的需求快速增加。二是我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了世界玻璃纖維制造基地的轉(zhuǎn)移，出口增加率始終保持較高的比例。如我國(guó)出口量為16萬(wàn)噸，增加為79萬(wàn)噸[11]。三是節(jié)能減排的戰(zhàn)略決策推動(dòng)玻璃纖維市場(chǎng)的發(fā)展。能源運(yùn)用方面，風(fēng)能中FRP葉片和機(jī)罩的應(yīng)用以及FRP在沼氣池中的推廣；節(jié)能方面，交通領(lǐng)域車船的輕量化都促使了玻纖復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展。防腐和“三廢”治理中，F(xiàn)RP塔、筒也得到快速的推廣使用。參考文獻(xiàn)[1]Hammeed,N,Sreekumar,PA,FrancisB,etal.Morphology,dynamicmechanicalandthermaistudiesonpoly(styrene-co-acrylonitrile)modifiedepoxyresin/glassfibercomposites[J].Composites,,38(9):2422-2432.[2]BrinkM.Theinfluenceofalkaliandalkalineearthsontheworkingrangeforbioactiveglasses.[J]BiomedMaterRes1997;36:109-174.[3]DeDiegoMA,ColemanNJ,HenchLL.Tensilepropertiesofbioactivefibersfortissueengineeringapplications.[J]BiomedMaterRes(ApplBiomater);53:199-203.[4]張耀明，李巨白，姜肇中.玻璃纖維與礦物棉全書[M].[5]葉鼎銓.玻璃纖維在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].玻璃纖維，，（3）：