玻璃纤维及其应用

玻璃纤维及其应用1概述玻璃纤维，又叫玻璃无机纤维．按其工艺角度可分为纺织玻璃纤维、绝缘玻璃纤维和玻璃纤维特种产品3类。纺织玻璃纤维有长丝与短纤维之分，用以加工成中间产品或最终产品，玻璃纤维也叫玻璃棉或玻璃毛。绝缘玻璃纤维主要用于保温、保冷、隔音和防燃．玻璃纤维特种产品有光导纤维、石英纤维和石英玻璃纤继等。早在1864年，G·Parry就第1个用吹喷法、玻璃拉丝法将高炉渣制成玻璃纤维。此法得到的矿渣棉用作隔热或隔冷材料．但玻璃纤维真正形成现代化工业，要追溯到本世纪30年代，美国首先发明了用铂柑锅连续拉制玻璃纤维和用蒸汽喷吹玻璃棉的工艺。在此之后，世界各国相继购买它的专利进行生产，使得玻璃纤维工业得到迅速的发展。玻璃纤维最早最重要的应用，应首推在第二次世界大战期间，采用玻璃纤维增强聚酯制成的雷达罩。发展至今，由于其特殊性能，广泛用于石油、化工、冶炼、交通、电业、电子、通讯、航夭等工业部门，以及军事工程、人民生活用品的各个领域。1950年，我国玻璃纤维工业才起步，当时只能生产绝热材料用的初级纤维。1955年后，我国玻璃钢工业发展起来才使玻璃纤维工业得以迅速地发展。2玻璃纤维的化学结构及分类2．1玻璃纤维的化学结构玻璃纤维是由硅酸盐的熔体制成的，各种玻璃纤维的结构组成基本相同，都是由无规则的SiO2网络所组成。玻璃纤维的主耍成分是SiO2。单纯的SiO2是通过较强共价键相联结的晶体，异常坚硬，熔点高达1700C以上，故加入CaCO3。、Na2CO3，等以降低熔点，加热后，CO2逸出，因此玻璃纤维中含有SiO2、Na2O和CaO。熔融的SiO2冷至熔点以下时，因其粘度非常大，液体流动性能很差，也需加人CaCO2、Na2CO3；等降低其粘度，利于玻璃纤维的形成。此外，还加入其他一些成分，以达到玻璃纤维的最终用途。所以，SiO2构成了玻璃纤维的骨架，加入的阳离子可能位于玻璃骨架结构的空隙中，也可能取代Si的位置。由图1可看出；玻璃纤维是典型的非晶体，微粒的排列是无规则的。2·2玻璃纤维的分类按玻璃纤维成分中有无碱金属氧化物（主要是Na2O、K2O）来划分，可以分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维和特种玻璃纤维4大类．玻璃纤维的组分不同，其性能差异很大。如碱钙玻羽纤维的抗拉强度为2500N／mm2左右，而石英玻璃纤维的抗拉强度则高达24000N／mm2．这主要是，玻璃纤维的强度随着玻璃软化温度的升高而增大．国际标准化组织（ISO）按其性质、用途等将用途广泛的绩织玻璃纤维分别加以命名，R2078定义如下（见表1）；E—玻璃：硅酸硼铝玻璃含有0．8％以下的碱金属氧化物，用途最广，原来是为电气技术的应用开发的（故用E标志），现在却主要用于塑料的增强．A一玻璃：有加硼或不加硼并含有0.8％以上碱全尼氧化物的碱钙玻璃，常用于对塑料的增强耍求较低的场合．C一玻璃：硼添加量高的碱钙玻璃，具有特殊的耐化学作用能力，弥补了E一玻璃的耐酸性不足，而用于防腐、表面保护、过滤技术，以及蓄电池制造。D一玻璃：高介电性能的特殊玻璃，用以制造高频技术的玻璃纤维增强塑料．正一玻璃、S一玻璃：高温下具有高机械性能的特殊玻璃．M一玻瞩：高弹性模量的含铍玻璃．Z一玻璃：水泥稳定性改进型玻璃，用于与水泥结合材料的增强．由于环境保护的要求，表1中的某些成分，如助熔剂（B2O3）及熔体均化用的助剂（Na2SO4．）已逐步减少或不用．绝缘玻璃纤维主裹是SiO2、Al3O2，两组分井添加助熔剂丽衍生出来．当SiO2含量较高时，所加人的助俗剂含量就较高，其绝缘性能则要低些，当SiO2含量较低时，其助熔剂含量就较低，其耐温性、绝绿性就好得多．按玻璃纤维的直径粗细不同，有初级、中级、高级、超级玻璃纤维之分，直径越细强度越高．增强2料用的玻璃纤维通常选用中、高级玻璃纤维，其直径一般为6～15微米，纤维强度为980---2940N／mm2．玻璃纤维的外观是光滑的回柱体，横断面几乎是完整的圆形．这种特性使玻璃纤维之间的抱合力不大，不利于和树脂粘合．纺织玻璃纤维具有各种不同的长度，这些长度是由于加工过程所致．它的制造方法如同人造纤维的制造方法．白于玻璃长丝的扭转刚度非常大，因此，捻系数通常很低．玻璃长丝的支数与捻系数如表2、3所示：国内，各种纺织玻璃纤维的单丝直径多为5～8微米，如无碱玻璃纤维的直径为5～微米，中碱玻璃纤维的宜径为6～8微米，高强度和高模量玻璃纤维的直径为8微米．目前，国外玻璃纤维单丝直径在使用上有增大的趋势．如13～14微米、15～17微米等．这样，可提高玻璃纤维产量，减少合股工序，有利于树脂浸运，效果很显著．3破璃纤维的生产工艺国内外，因玻璃纤维的种类、用途等不同，其生产的方法很多．生产工艺都是以全都熔融纺丝法为其特征．制造长丝和短纤维原则上有3种方法，即机械拉丝法、离心力拉丝法和流动气体拉丝法，以及3种方法中两种方法的组合．机械拉丝法广泛地用于生产玻璃长丝，而生产玻璃短纤维则主裹采用离心力拉丝法和流动气体拉丝法．3·1离心法离心法系将玻璃置于熔沪内熔融后，流入设置在炉正下方的旋转客器中，借离心力的作用，熔融玻璃通过客器壁上的喷丝孔，被吹散入空气中形成纤维，其纤维直径为3-15urn．这种方法用以制造绝缘纤维和玻璃短纤维．图2是转鼓离心法，还有Hager一Rosengarth离心法和阶式离心法等形式。3．2流动气体拉丝法3.2.1火焰喷射法火焰喷射法（见图3）是使熔融的玻璃从熔融槽下部的多个喷丝孔流出，得到纤维纲棒状体，然后用高压火焰于垂直方向喷射，使可制得很细的短纤维（通常的直径为3～6微米，最细的为0．3微米）。3．3．2蒸汽喷射法蒸汽喷射法是用高压蒸汽将熔融的玻璃吹散制成纤维的方法（如图4）。该法的生产成本较低，但纤维直径呈分散性，多在10微米以上，并且纤维中混有玻璃颗粒，影响玻璃纤维的质量。此法用于制造绝缘玻璃纤维，也可用于制造纺织用短纤维。在用于制造纺织用短纤维时，在吹风喷咀的下部喷施润滑剂，再将纤维收集在转动缓漫、稍有负压的有孔转鼓上，纤维被转就拉出并沿纵向取向．从而被加工成玻璃短纤维的捻线。3·3机械拉丝法玻璃球在拉丝炉内受电阻丝加热，使炉中的玻璃熔体维持在适于纺丝后的温度和粘度，并借助自重从拉丝炉底部带有许多孔的漏板中流出，通过金属散热片熔体细流得以有效冷却，经过上浆集束器，得以上浆或浸上其他保护性液体，使长丝抱合成丝束，接下来使卷绕到拉丝机上．拉丝机提供将熔体细流拉伸成长丝所需的张力，拉丝速度达1000～3500米／分，高速拉丝机能拉制成直径为000015in的玻璃纤维。4、玻璃纤维的性质及应用4.1比重玻璃纤维的比重为2．4～2．7，有碱纤维的比重较无碱纤维的小，其平均比重通常定为2．57．玻璃短纤维用作绝缘材料时，甚至在输送时，由于具有高度的膨松性，因此将其压缩捆包成原体积的1／2—1／5。当纤维材料组成仅占体积的5％～8％时，玻璃纤维的假比重通常为10～100kg／m3。对绝缘材料而言，导热性、孔隙率、lkd回弹能力、耐热性及燃烧性最为重要。孔隙率与纤维的粗细有关，相同的松密度下，导热性随着纤维的变粗而增大，因为这时所包合的空气量减少了。导热系数随着平均温度的上升而增加。随着平均温度的上升，导热系数曲线的最低值向较高的松密度方向移动（见因6）。绝缘材料多作成毛毡状或将松散的绝缘纤维作填充材料。4．2抗拉强度高、伸长率低玻璃纤维的直径越细，其成纱的强度就越高．玻璃纤维的直径为5一8微米时，其抗拉强度可达8．5～13g／den，而相同规格钢丝的抗拉强度才达6g/den．由于玻璃钢的抗拉强度随玻璃纤维直径的变化不是很显著的，而旦单丝直径越细，拉丝难度越大，产品成本也越高，因此在没有特殊需要的情况下，单丝直径可大些，以提高其产量．玻璃纤维的断裂伸长为3～4％，弹性比其他纤维的要差得多，这种性质使得玻璃纤维在应用于要求强力均匀的条件下（如玻璃长丝织造）会带来狠多问题，但应用于轮胎的缓冲层帘子线或传动带的增强帘子线时，这种低伸长率却可以保证其制品具有很好的尺寸稳定性．抗拉强度高和伸长率低的特性在工程上应用最为广泛的是增强塑料。该增强塑料既无塑料的柔软性又无玻璃的脆性。其重量仅及钢制品的1/3～1／5．由于玻璃纤维增强的方式、数量和几何形状（细度、长度、在层压塑料中的排布），以及塑料的选择和变性等，使得增强塑料制品繁多。在德国，纺织玻璃纤维产量有81％用于塑料和其他材料的增强。在日本，几乎所有的增强塑料都是玻璃纤维增强。用玻璃纤维增强后的聚苯乙烯系塑料，其机械性能、制品的尺寸稳定佐，以及耐热、耐低温、耐冲击强度等都有很大的提高，广泛用于汽车部件、家月电器零件、机壳等．用玻璃纤维增强聚甲醛彼广泛地代替有色全属。由于它具有很好的耐磨、减摩性能，主要用于制造传动零件，如轴承、齿轮、凸轮等，电气工业方面用以制作磁带景音机的飞轮轴承，以及其他的精密零件．国外，在玻璃纤维增强塑料基础上开发了一系列产品，如金属化玻璃纤维．其方法是在玻璃纤维增强塑料上镀上镍和铜，起到屏蔽电磁辐射的作用。当今世界，电磁对环境的污染日益严重地干拢和损害仪器和电子设备的功能。将金属化纤维加入普通玻璃纤维织物而后制成外壳，即能有效地防止这种电磁干拢。近年来，在建筑材料方页引人注日的是向混凝土中填加纤维（如玻璃纤维——E一玻璃、A一玻璃、C一玻璃），这不仅起到增强、耐震、防火的结构作用，而且在高温多湿的雨季时，还具有自吸湿性，即所谓能够“呼吸”．是十分合理的材料．4．3脆性、耐磨牢度玻璃纤维性脆，单丝集束性差和耐层牢度差，容易断裂，造成了加工过程中的困难．图8是单位纤维直径的弯曲疲劳负荷戮与弯曲次数的关系，可以看出玻璃纤维不耐弯曲．在美国，玻璃纤维作为带束斜交帘予布轮胎的缓冲层帘子线使用量很大．这主要是由于玻璃纤维模量大，没有热收缩，耐热性优良，与钢丝绳用作缓冲层帘子线相比，比重较轻（钢丝绳比重为8．7），因而轮胎质轻，节约能源，同时也能克服其刮伤处容易渗人水分而腐蚀钢丝的缺陷．但是，玻璃长丝性脆、韧性校差，这使得形成的油毡不耐弯曲，对压缩变形的耐疲劳性也不良，因此玻璃纤维在轮胎上的使用还有待于进一步地研究．玻璃纤维的脆性与它的直径的4次方成正比，把玻璃纤维直径减小，有利于提高玻璃纤维的柔软性，例如直径为3.8微米的玻璃纤维，其柔软性比涤纶的还要好，所以，用于织造的玻璃纤维一汲都是直径低于20微米的长丝。由于玻璃纤维的这种特性，使得它在织机及编织机上具有较好的加工性能．4．4耐高温性、耐热性和不易沾污性玻璃纤维不燃烧，并旦有很好的耐热性．其单丝在200～250C下，强反不会降低，却略有收缩现象．玻璃棉的最高安全使用温度，在单独使用情况下可达350～400℃．通常无碱玻璃纤维软化点为840C，中碱玻璃纤维的软化点为770℃，因而玻璃纤维适合于高温下使用，特别是用在高温过滤和防火材料方面．近年双用耐热玻璃纤维制成的织物过滤器在除尘技术领域显示其重要性．这种过滤器在使用中，无须冷却烟道气即可除去其中的灰尘．波璃布制成的袋式过滤设备或平面过滤器可用于熔炉、化铁炉、转炉、发电厂的除尘设备，以及工作温度在200～300℃之间的水泥工业的除尘设备．另外，玻璃纤维的导热系数仅为125J/h，因而它常用于管道和客器的隔热，以及成型件的绝缘壳．由于玻璃纤维具有不易沾污性、隔热和不燃烧性，困此它用于装饰上同益广泛．美国研制出1种在玻璃纤维表酉包覆乙烯树脂的玻璃纤维窗帘布，它能吸收掉太阳的热量而不挡阳光，并对强烈的紫外光有防护作用．这种窗帘布的绝热效率是普通窗帘布的7倍，如果夏季装在教室的宙外，可使教室内非常凉真，有利于学习人员提高学习效率．袋饰织物除了使用光滑的加捻线外，也用花色加捻丝和变形丝，短过印花或染色上浆可取得其他光学效果．也可经过加热或化学整理以消除玻璃纤维内应力，产生永久性卷曲，达到较好的悬垂性和抗皱性．墙布是玻璃纤维在建筑物装饰方面的重要应用．它是用玻璃长丝作经线、短纤维纱作纬线的交织物，经过一定的后整理制成的．这种织物是防滑的，具有很高的抗张强度，特别适合于石膏墙体、缩孔混凝上表面的装璜．4．5