玻璃纖維及其應(yīng)用

1、玻璃纖維及其應(yīng)用 1概述 玻璃纖維，又叫玻璃無機纖維按其工藝角度可分為紡織玻璃纖維、絕緣玻璃纖維和玻璃纖維特種產(chǎn)品3類。紡織玻璃纖維有長絲與短纖維之分，用以加工成中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品，玻璃纖維也叫玻璃棉或玻璃毛。絕緣玻璃纖維主要用于保溫、保冷、隔音和防燃玻璃纖維特種產(chǎn)品有光導(dǎo)纖維、石英纖維和石英玻璃纖繼等。 早在1864年，G·Parry就第1個用吹噴法、玻璃拉絲法將高爐渣制成玻璃纖維。此法得到的礦渣棉用作隔熱或隔冷材料但玻璃纖維真正形成現(xiàn)代化工業(yè)，要追溯到本世紀30年代，美國首先發(fā)明了用鉑柑鍋連續(xù)拉制玻璃纖維和用蒸汽噴吹玻璃棉的工藝。在此之后，世界各國相繼購買它的專利進行生產(chǎn)，使得玻

2、璃纖維工業(yè)得到迅速的發(fā)展。玻璃纖維最早最重要的應(yīng)用，應(yīng)首推在第二次世界大戰(zhàn)期間，采用玻璃纖維增強聚酯制成的雷達罩。發(fā)展至今，由于其特殊性能，廣泛用于石油、化工、冶煉、交通、電業(yè)、電子、通訊、航夭等工業(yè)部門，以及軍事工程、人民生活用品的各個領(lǐng)域。 1950年，我國玻璃纖維工業(yè)才起步，當(dāng)時只能生產(chǎn)絕熱材料用的初級纖維。1955年后，我國玻璃鋼工業(yè)發(fā)展起來才使玻璃纖維工業(yè)得以迅速地發(fā)展。2玻璃纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)及分類21玻璃纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)玻璃纖維是由硅酸鹽的熔體制成的，各種玻璃纖維的結(jié)構(gòu)組成基本相同，都是由無規(guī)則的SiO2網(wǎng)絡(luò)所組成。玻璃纖維的主耍成分是SiO2。單純的SiO2是通過較強共價鍵相聯(lián)結(jié)的晶

3、體，異常堅硬，熔點高達1700C以上，故加入CaCO3。、Na2CO3，等以降低熔點，加熱后，CO2逸出，因此玻璃纖維中含有SiO2、Na2O和CaO。熔融的SiO2冷至熔點以下時，因其粘度非常大，液體流動性能很差，也需加人CaCO2、Na2CO3；等降低其粘度，利于玻璃纖維的形成。此外，還加入其他一些成分，以達到玻璃纖維的最終用途。所以，SiO2構(gòu)成了玻璃纖維的骨架，加入的陽離子可能位于玻璃骨架結(jié)構(gòu)的空隙中，也可能取代Si的位置。由圖1可看出；玻璃纖維是典型的非晶體，微粒的排列是無規(guī)則的。2·2玻璃纖維的分類 按玻璃纖維成分中有無堿金屬氧化物（主要是Na2O、K2O）來劃分，可以分

4、為無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維和特種玻璃纖維4大類玻璃纖維的組分不同，其性能差異很大。如堿鈣玻羽纖維的抗拉強度為2500Nmm2左右，而石英玻璃纖維的抗拉強度則高達24000Nmm2這主要是，玻璃纖維的強度隨著玻璃軟化溫度的升高而增大國際標準化組織（ISO）按其性質(zhì)、用途等將用途廣泛的績織玻璃纖維分別加以命名，R2078定義如下（見表1）； E玻璃：硅酸硼鋁玻璃含有08以下的堿金屬氧化物，用途最廣，原來是為電氣技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)的（故用E標志），現(xiàn)在卻主要用于塑料的增強 A一玻璃：有加硼或不加硼并含有0.8以上堿全尼氧化物的堿鈣玻璃，常用于對塑料的增強耍求較低的場合 C一玻璃：硼添加量

5、高的堿鈣玻璃，具有特殊的耐化學(xué)作用能力，彌補了E一玻璃的耐酸性不足，而用于防腐、表面保護、過濾技術(shù)，以及蓄電池制造。 D一玻璃：高介電性能的特殊玻璃，用以制造高頻技術(shù)的玻璃纖維增強塑料 正一玻璃、S一玻璃：高溫下具有高機械性能的特殊玻璃 M一玻矚：高彈性模量的含鈹玻璃 Z一玻璃：水泥穩(wěn)定性改進型玻璃，用于與水泥結(jié)合材料的增強 由于環(huán)境保護的要求，表1中的某些成分，如助熔劑（B2O3）及熔體均化用的助劑（Na2SO4）已逐步減少或不用 絕緣玻璃纖維主裹是SiO2、Al3O2，兩組分井添加助熔劑麗衍生出來當(dāng)SiO2含量較高時，所加人的助俗劑含量就較高，其絕緣性能則要低些，當(dāng)SiO2含量較低時，其助

6、熔劑含量就較低，其耐溫性、絕綠性就好得多按玻璃纖維的直徑粗細不同，有初級、中級、高級、超級玻璃纖維之分，直徑越細強度越高增強2料用的玻璃纖維通常選用中、高級玻璃纖維，其直徑一般為615微米，纖維強度為980-2940Nmm2 玻璃纖維的外觀是光滑的回柱體，橫斷面幾乎是完整的圓形這種特性使玻璃纖維之間的抱合力不大，不利于和樹脂粘合紡織玻璃纖維具有各種不同的長度，這些長度是由于加工過程所致它的制造方法如同人造纖維的制造方法白于玻璃長絲的扭轉(zhuǎn)剛度非常大，因此，捻系數(shù)通常很低玻璃長絲的支數(shù)與捻系數(shù)如表2、3所示： 國內(nèi)，各種紡織玻璃纖維的單絲直徑多為58微米，如無堿玻璃纖維的直徑為5微米，中堿玻璃纖維

7、的宜徑為68微米，高強度和高模量玻璃纖維的直徑為8微米目前，國外玻璃纖維單絲直徑在使用上有增大的趨勢如1314微米、1517微米等這樣，可提高玻璃纖維產(chǎn)量，減少合股工序，有利于樹脂浸運，效果很顯著3破璃纖維的生產(chǎn)工藝 國內(nèi)外，因玻璃纖維的種類、用途等不同，其生產(chǎn)的方法很多生產(chǎn)工藝都是以全都熔融紡絲法為其特征制造長絲和短纖維原則上有3種方法，即機械拉絲法、離心力拉絲法和流動氣體拉絲法，以及3種方法中兩種方法的組合機械拉絲法廣泛地用于生產(chǎn)玻璃長絲，而生產(chǎn)玻璃短纖維則主裹采用離心力拉絲法和流動氣體拉絲法3·1離心法 離心法系將玻璃置于熔滬內(nèi)熔融后，流入設(shè)置在爐正下方的旋轉(zhuǎn)客器中，借離心力的

8、作用，熔融玻璃通過客器壁上的噴絲孔，被吹散入空氣中形成纖維，其纖維直徑為3-15urn這種方法用以制造絕緣纖維和玻璃短纖維圖2是轉(zhuǎn)鼓離心法，還有Hager一Rosengarth離心法和階式離心法等形式。32流動氣體拉絲法3.2.1火焰噴射法 火焰噴射法（見圖3）是使熔融的玻璃從熔融槽下部的多個噴絲孔流出，得到纖維綱棒狀體，然后用高壓火焰于垂直方向噴射，使可制得很細的短纖維（通常的直徑為36微米，最細的為03微米）。332蒸汽噴射法 蒸汽噴射法是用高壓蒸汽將熔融的玻璃吹散制成纖維的方法（如圖4）。該法的生產(chǎn)成本較低，但纖維直徑呈分散性，多在10微米以上，并且纖維中混有玻璃顆粒，影響玻璃纖維的質(zhì)量

9、。此法用于制造絕緣玻璃纖維，也可用于制造紡織用短纖維。在用于制造紡織用短纖維時，在吹風(fēng)噴咀的下部噴施潤滑劑，再將纖維收集在轉(zhuǎn)動緩漫、稍有負壓的有孔轉(zhuǎn)鼓上，纖維被轉(zhuǎn)就拉出并沿縱向取向從而被加工成玻璃短纖維的捻線。 3·3機械拉絲法 玻璃球在拉絲爐內(nèi)受電阻絲加熱，使爐中的玻璃熔體維持在適于紡絲后的溫度和粘度，并借助自重從拉絲爐底部帶有許多孔的漏板中流出，通過金屬散熱片熔體細流得以有效冷卻，經(jīng)過上漿集束器，得以上漿或浸上其他保護性液體，使長絲抱合成絲束，接下來使卷繞到拉絲機上拉絲機提供將熔體細流拉伸成長絲所需的張力，拉絲速度達10003500米分，高速拉絲機能拉制成直徑為 000015in

10、的玻璃纖維。4、玻璃纖維的性質(zhì)及應(yīng)用4.1比重 玻璃纖維的比重為2427，有堿纖維的比重較無堿纖維的小，其平均比重通常定為257玻璃短纖維用作絕緣材料時，甚至在輸送時，由于具有高度的膨松性，因此將其壓縮捆包成原體積的1215。當(dāng)纖維材料組成僅占體積的58時，玻璃纖維的假比重通常為10100kgm3。對絕緣材料而言，導(dǎo)熱性、孔隙率、lkd回彈能力、耐熱性及燃燒性最為重要?？紫堵逝c纖維的粗細有關(guān)，相同的松密度下，導(dǎo)熱性隨著纖維的變粗而增大，因為這時所包合的空氣量減少了。導(dǎo)熱系數(shù)隨著平均溫度的上升而增加。隨著平均溫度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)曲線的最低值向較高的松密度方向移動（見因6）。絕緣材料多作成毛氈狀或

11、將松散的絕緣纖維作填充材料。42抗拉強度高、伸長率低 玻璃纖維的直徑越細，其成紗的強度就越高玻璃纖維的直徑為5一8微米時，其抗拉強度可達8513gden，而相同規(guī)格鋼絲的抗拉強度才達6g/den由于玻璃鋼的抗拉強度隨玻璃纖維直徑的變化不是很顯著的，而旦單絲直徑越細，拉絲難度越大，產(chǎn)品成本也越高，因此在沒有特殊需要的情況下，單絲直徑可大些，以提高其產(chǎn)量 玻璃纖維的斷裂伸長為34，彈性比其他纖維的要差得多，這種性質(zhì)使得玻璃纖維在應(yīng)用于要求強力均勻的條件下（如玻璃長絲織造）會帶來狠多問題，但應(yīng)用于輪胎的緩沖層簾子線或傳動帶的增強簾子線時，這種低伸長率卻可以保證其制品具有很好的尺寸穩(wěn)定性 抗拉強度高和

12、伸長率低的特性在工程上應(yīng)用最為廣泛的是增強塑料。該增強塑料既無塑料的柔軟性又無玻璃的脆性。其重量僅及鋼制品的1/315由于玻璃纖維增強的方式、數(shù)量和幾何形狀（細度、長度、在層壓塑料中的排布），以及塑料的選擇和變性等，使得增強塑料制品繁多。在德國，紡織玻璃纖維產(chǎn)量有81用于塑料和其他材料的增強。在日本，幾乎所有的增強塑料都是玻璃纖維增強。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)定佐，以及耐熱、耐低溫、耐沖擊強度等都有很大的提高，廣泛用于汽車部件、家月電器零件、機殼等用玻璃纖維增強聚甲醛彼廣泛地代替有色全屬。由于它具有很好的耐磨、減摩性能，主要用于制造傳動零件，如軸承、齒輪、凸輪

13、等，電氣工業(yè)方面用以制作磁帶景音機的飛輪軸承，以及其他的精密零件國外，在玻璃纖維增強塑料基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列產(chǎn)品，如金屬化玻璃纖維其方法是在玻璃纖維增強塑料上鍍上鎳和銅，起到屏蔽電磁輻射的作用。當(dāng)今世界，電磁對環(huán)境的污染日益嚴重地干攏和損害儀器和電子設(shè)備的功能。將金屬化纖維加入普通玻璃纖維織物而后制成外殼，即能有效地防止這種電磁干攏。 近年來，在建筑材料方頁引人注日的是向混凝土中填加纖維（如玻璃纖維E一玻璃、A一玻璃、C一玻璃），這不僅起到增強、耐震、防火的結(jié)構(gòu)作用，而且在高溫多濕的雨季時，還具有自吸濕性，即所謂能夠“呼吸”是十分合理的材料43脆性、耐磨牢度玻璃纖維性脆，單絲集束性差和耐層牢度差

14、，容易斷裂，造成了加工過程中的困難圖8是單位纖維直徑的彎曲疲勞負荷戮與彎曲次數(shù)的關(guān)系，可以看出玻璃纖維不耐彎曲在美國，玻璃纖維作為帶束斜交簾予布輪胎的緩沖層簾子線使用量很大這主要是由于玻璃纖維模量大，沒有熱收縮，耐熱性優(yōu)良，與鋼絲繩用作緩沖層簾子線相比，比重較輕（鋼絲繩比重為87），因而輪胎質(zhì)輕，節(jié)約能源，同時也能克服其刮傷處容易滲人水分而腐蝕鋼絲的缺陷但是，玻璃長絲性脆、韌性校差，這使得形成的油氈不耐彎曲，對壓縮變形的耐疲勞性也不良，因此玻璃纖維在輪胎上的使用還有待于進一步地研究 玻璃纖維的脆性與它的直徑的4次方成正比，把玻璃纖維直徑減小，有利于提高玻璃纖維的柔軟性，例如直徑為3.8微米的玻

15、璃纖維，其柔軟性比滌綸的還要好，所以，用于織造的玻璃纖維一汲都是直徑低于20微米的長絲。由于玻璃纖維的這種特性，使得它在織機及編織機上具有較好的加工性能44耐高溫性、耐熱性和不易沾污性玻璃纖維不燃燒，并旦有很好的耐熱性其單絲在200250C下，強反不會降低，卻略有收縮現(xiàn)象玻璃棉的最高安全使用溫度，在單獨使用情況下可達350400通常無堿玻璃纖維軟化點為840C，中堿玻璃纖維的軟化點為770，因而玻璃纖維適合于高溫下使用，特別是用在高溫過濾和防火材料方面近年雙用耐熱玻璃纖維制成的織物過濾器在除塵技術(shù)領(lǐng)域顯示其重要性這種過濾器在使用中，無須冷卻煙道氣即可除去其中的灰塵波璃布制成的袋式過濾設(shè)備或平面

16、過濾器可用于熔爐、化鐵爐、轉(zhuǎn)爐、發(fā)電廠的除塵設(shè)備，以及工作溫度在200300之間的水泥工業(yè)的除塵設(shè)備另外，玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)僅為125J/h，因而它常用于管道和客器的隔熱，以及成型件的絕緣殼 由于玻璃纖維具有不易沾污性、隔熱和不燃燒性，困此它用于裝飾上同益廣泛美國研制出1種在玻璃纖維表酉包覆乙烯樹脂的玻璃纖維窗簾布，它能吸收掉太陽的熱量而不擋陽光，并對強烈的紫外光有防護作用這種窗簾布的絕熱效率是普通窗簾布的7倍，如果夏季裝在教室的宙外，可使教室內(nèi)非常涼真，有利于學(xué)習(xí)人員提高學(xué)習(xí)效率袋飾織物除了使用光滑的加捻線外，也用花色加捻絲和變形絲，短過印花或染色上漿可取得其他光學(xué)效果也可經(jīng)過加熱或化學(xué)整理

17、以消除玻璃纖維內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生永久性卷曲，達到較好的懸垂性和抗皺性墻布是玻璃纖維在建筑物裝飾方面的重要應(yīng)用它是用玻璃長絲作經(jīng)線、短纖維紗作緯線的交織物，經(jīng)過一定的后整理制成的這種織物是防滑的，具有很高的抗張強度，特別適合于石膏墻體、縮孔混凝上表面的裝璜45電氣絕緣性好 由于玻璃纖維的吸濕性只有其他纖維的1/10一1/3，因此它具有很好的電氣絕緣性玻璃制品的介電性能與玻璃的組成有很大關(guān)系，同時，空氣的濕度和溫度對玻璃制品表面電導(dǎo)率也有很大影響，其中E一玻璃（除D一玻璃外）的介電損失系數(shù)和比電阻的溫度依賴比其他玻璃的小，因此E一玻璃特別適用于高溫、高濕及侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中電機的絕緣材料，耐穿透力強，節(jié)約

18、能源，可延長電機的使用壽命，使電氣尺寸縮小 13，節(jié)約金屬材料近 30左右 在絕緣、防熱、增強和過濾等材料方面，玻璃纖維已在很大程度上取代了石棉石棉是纖維狀的礦物質(zhì)，它的熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強、電絕緣性好和抗張強度高，但它對人體的健康是有害的石棉已被美國、歐共體等列入有毒有容物質(zhì)之列，對其收集分類、運輸和處理等實施了法令管理，并研究開發(fā)一系列產(chǎn)品來曾代石棉玻璃纖維制品的性能還優(yōu)于石棉，特別是官對人體的健康無害，即使是從事玻璃纖維生產(chǎn)的工人，也不會刺激呼吸器官或息肺病，因此其前景是廣闊的，但價格相對較高些46耐藥品性、耐侯性和吸聲性 耐藥品性一般是指耐永性和耐酸堿性玻璃纖維的耐堿性隨玻璃纖維含堿

19、量的增加而減弱，而耐酸性則隨合堿量的增加而增強因此，無堿玻璃纖維的耐水性好，中堿玻璃纖維的耐酸性好，但均不耐堿無堿玻璃纖維的耐候性較好，而有堿玻璃纖維則較差，這主要是空氣中的水分對纖維侵蝕的結(jié)果 玻璃纖維的吸濕性低，在相對濕度65時，吸濕僅007037，因而官在建筑倉儲中運用很廣泛室外用苫布或簡易倉庫，在難燃性耍求很高的場合，以無堿玻玻纖維布為底布，并用氯乙烯樹脂進行整埋，以達到防火防水的目的在層面織物方面，玻璃長絲制織的織物，因玻璃纖維的毛綱管作用，完全浸透在瀝青或改良的瀝青中，形成幾乎不能用機械方法分開的化合物，可以用作容器和管道的防水和防腐。 在音頻為41025H2時，玻璃纖繼的吸音系數(shù)為0 5，因此它是良好的吸聲材料由玻璃棉纖維集聚成柔軟材料的骨架，組成多孔質(zhì)材料，聲波透射到內(nèi)部時，聲能由摩擦阻力變成熱能，通常在高頻享區(qū)吸音系數(shù)上升，并旦材料愈厚，則吸音系數(shù)愈大5