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、抗腐蝕性好，機械強度高等許多優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中的增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。本文通過總結(jié)和整頓，簡樸敘述了玻璃纖維的特有性能以及其在各個領(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)秀的無機非金屬材料，種類繁多，優(yōu)點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，但缺點是性脆，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微米到二十幾米個微米，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)展玻璃纖維有較長的發(fā)展歷史。上世紀(jì)三十年代，美國人發(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，促使六十年代以來出現(xiàn)了許多特種玻璃纖維，如耐高溫玻璃纖維、高強度玻璃纖維、高模量玻璃纖維等。在高性能玻璃纖維的發(fā)展過程中最引人注目的是1996年3月在第41次SAMPE國際會議上，道康寧公司初次發(fā)表的高強度玻璃纖維"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。我國研究玻璃纖維也有幾十年的歷史。早在1958年，我國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，1983年中國建筑材料研究院試制成功了抗堿玻纖增強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絲和短纖維兩種。能夠采用傳統(tǒng)的紡織工藝將長絲制成多個產(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。將這些原料通過空氣管道輸送到計量秤上，然后在混合室混合均勻，通過供料筒，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噴絲孔，由高速卷繞裝置將纖維拉伸卷繞，便制得玻璃長絲。普通單絲的直徑為6～13μm，通過變化紡絲板的溫度能夠調(diào)節(jié)單絲的直徑。在制造時，為了確保玻璃纖維在紡紗等后加工過程中的加工性能，能夠在玻璃纖維呈液態(tài)時加入一定量的粘合劑、潤滑劑、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) 斷裂強度(N) 伸長率(％)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方面含有獨特的性能：(1)密度玻璃纖維的密度高于有機纖維，但低于金屬纖維。(2)斷裂強度玻璃纖維含有較高的拉伸強度，在相似重量時，其斷裂強度比鋼絲高2～4倍。因而人們又稱它為玻璃鋼。(3)尺寸穩(wěn)定性玻璃纖維不會因環(huán)境溫度變化而變形，最大伸長率僅為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。在對玻璃纖維進(jìn)行紡織加工的過程中，玻璃纖維會受到彎曲應(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機纖維，它本身不會引發(fā)燃燒，并且有較好的耐熱性，這在紡織纖維中是很獨特的。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。玻璃纖維對腐蝕性化學(xué)品如酸和堿，有好的阻抗，它幾乎不受有機溶劑的影響，并對大多數(shù)無機化合物是穩(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)所帶來的性能方面的缺點，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。5．2交通運輸玻璃纖維用于交通運輸重要是在航空航天工業(yè)和汽車及火車制造工業(yè)上。現(xiàn)在，波音747飛機使用玻璃纖維復(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，還能夠用來制造漁船，其工藝簡樸，防腐防蝕，維修頻數(shù)和保養(yǎng)費低，使用壽命長。5．3機械工業(yè)用玻璃纖維增強后的聚苯乙烯系塑料，其機械性能，制品的尺寸穩(wěn)定性以及耐熱耐沖擊強度都有很大的提高，廣泛用于家用電器零件、機殼等。玻璃纖維增強聚甲醛還被廣泛地用來替代有色金屬，用于制造傳動零件，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)帶來了光明的前景。玻璃纖維重要用于制造多個槽、罐、塔、管道、泵、閥和風(fēng)機等化工設(shè)備及配件。玻璃纖維耐腐蝕，強度高，使用壽命長，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，我國政府明確指出保護(hù)環(huán)境是我國長久堅持的基本國策。玻璃纖維因其優(yōu)良的各項性能在大氣、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HollingSworth&Vose公司開發(fā)的低硼玻璃纖維過濾材料能夠解決懸浮分子污染帶來的問題[1]。一種用高硅氧玻璃纖維制成的過濾布能用于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需先對廢氣冷卻，從而減少了廢氣解決的費用。另外，一種玻璃纖維空氣過濾紙，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吸取環(huán)境污染物。OC公司在比利時的Battice工廠采用Advantex玻璃纖維技術(shù)實現(xiàn)了廢水解決和回收的技術(shù)升級，使耗水量減少了50%以上，廢水中污染物含量減少約80%[2]。玻璃纖維與有機纖維材料結(jié)合加工成土工材料可用于防水土流失。德國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，可提高土壤的強度。另外通過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度高、不吸濕、尺寸穩(wěn)定等特點，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樹脂制作的矯形繃帶克服了以往石膏繃帶強度低、吸濕、尺寸不穩(wěn)定等缺點。英國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]。通過研究人員的多次實體實驗，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。實踐證明，玻纖膜濾材對空氣的阻力，細(xì)菌過濾效率很高[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，無論是民用客機還是軍用飛機都使用了玻纖復(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。纖維增強塑料有效地減輕了飛機質(zhì)量，提高了商用載荷，節(jié)省了能源。客艙內(nèi)的頂板、行李箱、各類儀表盤、機身空調(diào)艙、蓋板等都用到了纖維增強工程塑料，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)造材料在運載火箭和航天器上的應(yīng)用越來越普遍。運用纖維纏繞工藝制造的纖維/環(huán)氧復(fù)合材料固體發(fā)動機殼是近代復(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、高硅氧增強酚醛樹脂。另外科研人員對玻璃纖維表面進(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，比開司米軟7倍，比確實良布軟14倍，成功的用于宇航服的制作[8]。總之，玻璃纖維這種材料從我國神舟2號開始直到神舟7號載人飛行均獲得了成功應(yīng)用。另外，玻璃纖維在絕緣、防熱、增強和過濾等材料方面，已在很大程度上取代了石棉。如：羅果,鄭熾嵩等人[9]對玻璃纖維與植物纖維的配抄性能研究,實驗發(fā)現(xiàn),用25%的玻璃纖維和75%的劍麻纖維,打漿度為36°SR時進(jìn)行配抄,其強度和松厚度能達(dá)成過濾材料的規(guī)定。同時，玻璃纖維在新能源開發(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)與展望我國玻璃纖維起步于20世紀(jì)50年代，通過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。我國玻璃纖維總產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的1/3，排名第一[10]，同時我國的中國巨石集團(tuán)有限公司及中國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，我國玻璃纖維產(chǎn)業(yè)有著較好的發(fā)展空間。一是玻纖市場供不應(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；增強塑料和工程塑料的發(fā)展推動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，是我國成為世界CCL制造基地，也對玻纖基地的需求快速增加。二是我國成功實現(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。如我國出口量為16萬噸，增加為79萬噸[11]。三是節(jié)能減排的戰(zhàn)略決策推動玻璃纖維市場的發(fā)展。能源運用方面，風(fēng)能中FRP葉片和機罩的應(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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