產(chǎn)業(yè)用紡織品07

新興的學(xué)科重點(diǎn)：無機(jī)纖維性能難點(diǎn)：分類、定義

七、無機(jī)纖維慨況1、前言無機(jī)纖維中除了碳纖維之外，還有玻璃纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、氧化硼纖維以及其它以須晶形式出現(xiàn)的無機(jī)化合物等。氧化鋁纖維等與陶瓷和金屬的相容性良好，可以作為金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料的纖維增強(qiáng)材料，這些是目前的碳纖維與有機(jī)纖維所沒有的優(yōu)異特性。

2、無機(jī)纖維分類

無機(jī)纖維一般按結(jié)構(gòu)分類見表來源

結(jié)構(gòu)

纖維

名稱天然的

多晶——單晶

石棉

合成的

無定形

玻璃玻璃纖維礦渣礦物纖維巖石陶瓷石英石英玻璃多晶

硼多晶無機(jī)纖維

碳化硅氮化硼碳化硼

氧化鋁氧化鋯鋼、鋁、鎢金屬纖維碳、石墨碳纖維單晶

金剛砂碳化硅單晶無機(jī)纖維和須晶六鈦酸鉀

3、幾點(diǎn)說明——(1）、無機(jī)纖維一般比其構(gòu)成的致密材料要更加堅(jiān)固，這是因?yàn)檩^大晶格缺陷在細(xì)小纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面出現(xiàn)的幾率，比在致密材料本身出現(xiàn)的幾率要小。——(2)、無機(jī)纖維的應(yīng)力——應(yīng)變曲線中有一部分完全是直線。與大多數(shù)的有機(jī)材料不同，無機(jī)纖維在應(yīng)力作用下只有很小的變形，也就是說它在較低的斷裂伸長和較低的接結(jié)強(qiáng)度下顯示高的彈性模量值?！?3)、無機(jī)纖維的用途是多樣性的：如玻璃纖維用于塑料的增強(qiáng)；鋼絲用作簾子布?！?4)、除碳纖維外，其它的無機(jī)纖維都是不燃的。——(5)、須晶纖維目前尚未完全過關(guān)。

八玻璃纖維

定義

玻璃是由二氧化硅和各種金屬氧化物組成的。玻璃是由熔體過冷而成的具有固體機(jī)械性質(zhì)的無定形物質(zhì)，它通常是透明的脆性體。最常見的是硅酸鹽玻璃，其中又以鈉鈣玻璃最為普通。它主要由二氧化硅、氧化鈣和氧化鈉組成，以石英砂、長石、純堿和石灰石為主要原料，經(jīng)過熔融、澄清、勻化后，加工成型而得玻璃制品。

1、玻璃纖維的發(fā)展歷史早在20世紀(jì)60年代，玻璃纖維就在飛機(jī)上獲得了應(yīng)用，但由于當(dāng)時(shí)的價(jià)格昂貴，工藝性能欠佳等原因，未能獲得進(jìn)一步的發(fā)展和重視。后來，隨著技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，玻璃纖維越來越多地用于軍事目的，特別是航天、航空工業(yè)，約占航天、航空用的增強(qiáng)纖維的67.7%。隨后，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，如體育器具、建筑構(gòu)件、輕工制品、化工管道、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、舟艇船艦等都已普遍采用和積極普及玻璃纖維極其復(fù)合材料。20世紀(jì)80年代以來，其年均增長率高達(dá)10%左右。

2、玻璃纖維的分類玻璃纖維的品種很多，可按其形態(tài)、化學(xué)成分、性能、生產(chǎn)方法、無機(jī)物成分及用途進(jìn)行分類。（1）、按品種分玻璃纖維按品種分類見圖：玻璃礦物纖維

（2）、按纖維的形態(tài)和長度分玻璃纖維按按纖維的形態(tài)和長度分類，見表：類別名稱用途與說明連續(xù)纖維連續(xù)纖維是指無限長的玻璃纖維。（紡織纖維）主要用漏板法拉制而成。經(jīng)過紡織加工后可以制成玻璃絲、帶、布、繩、無捻粗紗及其制品。定長纖維玻璃纖維長度有限，一般在300~500mm左右，有時(shí)也可較長。多用來制成毛紗或氈片使用。玻璃棉也是一種定長纖維，濕纖維長度較短，一般在<150mm或更短。在形態(tài)上組織蓬松，類似絮棉，故又稱為短棉。主要用作保溫、吸聲等用途。玻璃棉直徑<1μm或3μm者，稱為超細(xì)棉。（3）、按纖維成分中的含堿量分玻璃纖維按纖維成分中的含堿量分類（R2O表示金屬氧化物，主要指Na2O、K2O），見表：類別名稱用途與說明無堿纖維

R2O含量小于0.5%或0.7%。是一種鋁硼硅酸鹽成分。它的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、強(qiáng)度都很好。主要用作電絕緣材料；玻璃鋼增強(qiáng)材料；輪胎簾子線；對耐酸有特殊要求的場合。低堿纖維

R2O含量小于2%左右。是一種含堿量稍高的鋁硼硅酸鹽成分。它的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、強(qiáng)度都比無堿纖維略差。主要用作電絕緣材料；玻璃鋼增強(qiáng)材料；輪胎簾子線；對耐酸有特殊要求的場合。中堿纖維

R2O含量在12%左右?；瘜W(xué)穩(wěn)定性尚好。因含堿量較高，故不能作絕緣材料。一般用作乳膠布基材；酸性過濾布；窗紗基材等。也可用作對電性能和強(qiáng)度要求不甚嚴(yán)格的玻璃鋼增強(qiáng)材料。高堿纖維

R2O含量≥15%。凡采用鋅玻璃平板或瓶子作原料拉制而成的玻璃纖維均屬此類。不能用于對耐酸有特殊要求的場合?？捎糜谛铍姵馗羝?；管道包扎布和氈片等防火防潮材料。（4）、按纖維的直徑分玻璃纖維按纖維的直徑可分為：玻璃纖維有時(shí)也把直徑<4μm的玻璃纖維稱為超細(xì)纖維。（5）、按含無機(jī)物成分不同分——堿纖維（鈉鈣纖維）：含堿量在10%以上。耐酸性好，熱膨脹系數(shù)低，但耐水性差。用于制作保溫、隔熱件及耐酸用的玻璃纖維增強(qiáng)材料?！獰o堿纖維：含堿量在1%以下。電絕緣優(yōu)良。用作電絕緣件，抗震零件等?！c鈣—硼硅玻璃纖維：有優(yōu)異的耐化學(xué)性。廣泛用作耐腐蝕材料?！稹璨ＡЮw維：為低密度、低介電常數(shù)玻璃纖維。適用于作電絕緣件。——鋁鎂硅玻璃纖維：為高強(qiáng)度玻璃纖維。適用于作高強(qiáng)度件，火箭發(fā)射機(jī)殼體，人造衛(wèi)星外殼等。——含氧化鈹玻璃纖維：為高彈性模量玻璃纖維?！吖柩趵w維：含SiO2在95%以上，耐熱達(dá)1100℃。用作耐高溫，防火材料?！植ＡЮw維：大多用作塑料、橡膠和水泥的增強(qiáng)材料。3、玻璃纖維的組成（1）、紡織玻璃纖維的組成根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)R2078定義，有如下組分的玻璃纖維：E—玻璃：硅酸硼鋁玻璃，含有0.8%以下的堿金屬氧化物。用于一般塑料增強(qiáng)和電氣方面的應(yīng)用。A—玻璃：加有硼或不加硼并含有0.8%以上堿金屬氧化物的堿鈣玻璃。作特殊用途。C—玻璃：硼添加量高的堿鈣玻璃。具有特殊的耐化學(xué)作用能力。D—玻璃：高介電性能的特殊玻璃。R—玻璃：高溫下具有高機(jī)械性能的特殊玻璃。S—玻璃：高溫下具有高機(jī)械性能的特殊玻璃。M—玻璃：高彈性模量的含鈹玻璃。Z—玻璃：水泥穩(wěn)定性改進(jìn)型玻璃。用于與水泥結(jié)合材料的增強(qiáng)。（2）、玻璃纖維的成分——玻璃纖維具有高的SiO2含量和最低的Al2O3含量，除有大致相同的堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物外，還會(huì)有氧化硼作為助熔劑?！S多絕緣纖維的組成可能都是由SiO2、Al2O3兩組分并添加助熔劑所衍生出來的。絕緣玻璃纖維必須是含堿量低于0.5%的無堿玻璃纖維。——通過對E—玻璃分析，其化學(xué)成分為：SiO255.2%、Al2O314.8%、B2O37.3%、MgO3.3%、CaO18.7%、Na2O0.3%、K2O0.2%、Fe2O30.3%、F20.3%。S—玻璃化學(xué)成分為SiO265%、Al2O325%、MgO10%。二氧化硅4、玻璃纖維的性能——（1）、不燃、不腐、耐熱、吸濕??；——（2）、強(qiáng)度高、伸長小、抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度高；——（3）、絕熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好；——（4）、電絕緣性好。常見的各種類型玻璃纖維內(nèi)在性能見表：項(xiàng)目

相對密度

抗拉強(qiáng)度

抗拉模量

熱膨脹系數(shù)介電常數(shù)

液態(tài)溫度

Mpa

Gpa

10/K℃E—玻璃纖維

2.58345072.55.06.31065A—玻璃纖維

2.50304069.08.66.9996GCR—玻璃纖維2.62362572.55.06.51204S—玻璃纖維

2.48459086.05.65.11454注：介電常數(shù)在20℃和1MHz條件下測得。

5、玻璃纖維的制造（1）、原料由于價(jià)格的關(guān)系，主要用天然礦物作為制造紡織玻璃纖維的原料。絕緣用玻璃纖維的生產(chǎn)原料，主要使用玻璃工業(yè)中常用的天然礦物和工業(yè)產(chǎn)品。因此在純度上，特別是對鐵雜質(zhì)要求不高。自然界中存在的沉積巖石和磁性巖石（例如粘土、泥灰土、玄武巖或輝綠巖），可作生產(chǎn)巖石纖維的主要成分。除高爐礦渣外，其它冶金和非冶金的礦渣都被用作礦渣纖維的原料（如石灰石、白云石、石英、粘板巖、輝綠石）。陶瓷纖維其助熔劑含量低，只可使用相對純的陶瓷原料（如釩土、石英、鋯、高嶺土和氰化物）。石英和硅石玻璃纖維幾乎由純二氧化硅所組成。石英纖維使用純石英原料。硅石玻璃纖維是對硼化鋁硅酸鹽進(jìn)行堿處理和熱處理。（2）、紡織玻璃纖維的制造紡織玻璃纖維的制造的工藝為：A、熔融。B、纖化。除了制成球和棒狀外，一般直接進(jìn)行纖化，可分成三種工藝。第一種工藝：拉絲法第二種工藝：離心法第三種工藝：吹噴法幾種工藝可聯(lián)合應(yīng)用，如離心—吹噴法等。（3）、紡織纖維的后加工紡織玻璃纖維后加工必須分兩大步驟，即：A、用漿料、潤滑劑、膠粘劑處理。在纖維生產(chǎn)中，合并在一起的的玻璃長絲在卷繞前要上漿。短纖維在收集于孔眼轉(zhuǎn)鼓前要噴潤滑劑。B、進(jìn)一步加工（略）（4）、絕緣纖維的后加工

絕緣材料一般比較均勻，通常采用粘合法來加工絕緣纖維，制品為氈、板、管殼等。

6、玻璃纖維的應(yīng)用

（1）、紡織玻璃纖維的應(yīng)用塑料增強(qiáng)用的紡織玻璃纖維制品品種繁多，加以不同的制法、不同的纖維增強(qiáng)方式、不同的數(shù)量和幾何形狀以及塑料的選擇及可變性能，使得玻璃纖維增強(qiáng)塑料成品具備最佳的使用價(jià)值。玻璃纖維用于裝飾織物。具有這方面應(yīng)用的玻璃纖維主要是使用光滑的加捻線，花色加捻線和變形絲，通過熱整理和化學(xué)整理，產(chǎn)生永久性卷曲。玻璃纖維用于裝飾品（如窗紗）具有許多優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)非有機(jī)物材料所能達(dá)到的。其中特別有意義的是其不燃燒、不腐爛、不發(fā)霉、較高的耐老化性、抗皺性及尺寸穩(wěn)定性，直接陽光照射下的隔熱性、對強(qiáng)烈的紫外線的防護(hù)作用和遮光作用。由于不易沾污，管理費(fèi)用比較低廉。貼墻布。這些織物是防滑的，具有很高的抗張強(qiáng)度，特別適合作石膏墻體，縮孔混凝土結(jié)構(gòu)表面的裝璜以及類似的材料。地毯領(lǐng)域。例如作針刺地毯和簇絨地毯以及作蜂窩襯墊底面或光滑泡沫背面的增強(qiáng)材料。瀝青油毛氈，玻璃纖維交織物屋頂氈。特別適合在極其平坦的或有水覆蓋的屋頂上應(yīng)用，還可用于墻壁、屋檐、浴室、廁所、廚房、地下室、水槽、橋梁、涵洞及水渠等。玻璃長絲織物適用于墊層和特殊的路面加固，例如我國的京九鐵路就使用了大量的玻璃纖維作為鐵軌的墊層。防高溫服和防火服。通常是用金屬真空鍍膜或金屬薄膜包覆的方法制作金屬化的玻璃布。其它。玻璃纖維制成的高功率砂輪和切割園盤，通過玻璃纖維布的增強(qiáng)作用，獲得較高的爆破強(qiáng)度。用玻璃纖維制成的織物過濾器在除塵領(lǐng)域顯示其重要性。玻璃纖維布制的袋式過濾器可用在熔爐、化鐵爐、轉(zhuǎn)爐、發(fā)電廠的除塵設(shè)備及水泥的除塵設(shè)備中。（2）、絕緣玻璃纖維的應(yīng)用松散的絕緣玻璃纖維可用作填充絕緣或作絕緣層使用。玻璃纖維在建筑上越來越多地用于保溫、防火、隔音等，只有少量用于導(dǎo)冷，可用作住宅、交通工具、冷藏庫的絕熱材料、管道保溫防露用、交通工具吸聲材料、內(nèi)壁、天花板及鐵皮屋頂。這些應(yīng)用在建筑業(yè)中根據(jù)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整。此外，玻璃纖維在建筑業(yè)中還可以用作外部裝飾材料及玻璃纖維增強(qiáng)水泥。其中外部裝飾材料富有韌性而質(zhì)輕、不燃、成形優(yōu)良而價(jià)格低廉。玻璃纖維在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)還有固定在金屬或管道上的纖維覆蓋層，用于管道和容器的隔熱和絕緣。還可用作防腐蝕用的玻璃鋼耐腐蝕泵，防火的玻璃鋼果皮箱。

（3）、玻璃纖維的其它應(yīng)用玻璃纖維可以加工成紗、布、帶、氈、板及管殼等，用作增強(qiáng)材料；用有機(jī)物處理后改善纖維柔性、耐磨性以及手感等，可制成玻璃纖維乳膠布、玻璃布人造革、窗紗、魚網(wǎng)、貼墻布、蓬蓋布及特種防護(hù)服，也可用作船舶、車輛的殼體，飛機(jī)的部件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片及體育用品等。

九、氧化鋁和硅酸鋁纖維——氧化鋁和硅酸鋁纖維于本世紀(jì)四十年代由美國BW公司中央研究所首先研制成功，七十年代末開始用于民用工業(yè)?！趸X和硅酸鋁纖維被認(rèn)為的最佳的石棉替代品之一而廣泛應(yīng)用。氧化鋁和硅酸鋁纖維也屬于陶瓷纖維的一種。1、纖維的分類氧化鋁和硅酸鋁纖維的主要成分為Al2O3和SiO2，一般根據(jù)Al2O3的含量，可分為硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維兩大類。表氧化鋁和硅酸鋁纖維分類表名稱Al2O3（%）

SiO2（%）制取方法結(jié)構(gòu)類別硅酸鋁纖維低溫型4060熔融吹噴法或甩絲法玻璃態(tài)纖維散纖標(biāo)準(zhǔn)型5050高溫型6040氧化鋁纖維955熔液紡絲結(jié)晶態(tài)纖維長絲2、氧化鋁和硅酸鋁纖維的特性氧化鋁和硅酸鋁纖維具有耐高溫、抗熱震、低熱容、保溫性能優(yōu)良和化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。（1）、紡織性能

表

氧化鋁和硅酸鋁纖維的紡織性能項(xiàng)目

硅酸鋁纖維

氧化鋁纖維纖維直徑(μm)2~510~12纖維長度(mm)35~250連續(xù)長絲抗拉強(qiáng)度(N/mm)600~8001700~2080彈性模量(KN/mm)70~80130~190密度(g/m)2.5~3.0比表面積(m/g)3~10＜1——耐熱性：一般低溫型硅酸鋁纖維的使用溫度為1000℃左右；標(biāo)準(zhǔn)硅酸鋁纖維的使用溫度為1260℃左右；高溫型硅酸鋁纖維的使用溫度為1400℃左右；氧化鋁纖維的使用溫度高達(dá)1600℃左右。而陶瓷纖維的熔點(diǎn)在1750—1800℃之間?！獙?dǎo)熱性：纖維的導(dǎo)熱性是所有耐火材料中最低的一種。500℃時(shí)硅酸鋁纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為0.07—0.12W/m·K,為輕質(zhì)耐火磚的1/3—1/5；1000℃時(shí)氧化鋁纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/m·K?！蜔釠_擊性：纖維為在驟冷驟熱的環(huán)境中，纖維不會(huì)發(fā)生剝落，還能抵御彎折、扭曲和機(jī)械震動(dòng)。——化學(xué)穩(wěn)定性：纖維幾乎不受冷、熱水的影響，耐酸性也比較好。只是易受氫氟酸、磷酸和強(qiáng)堿的侵蝕。——壓縮回彈性：纖維制品柔軟而有一定的彈性，受一定壓力時(shí)能夠壓縮，壓力取消后又能迅速恢復(fù)原狀?！娞匦裕豪w維具有優(yōu)良的電絕緣性，但絕緣電阻隨著溫度的升高而降低。3、纖維制品極其應(yīng)用廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、建材、船舶、航空航天、汽車等行業(yè)的耐火、隔熱、防火、摩擦制動(dòng)、密封、高溫過濾和勞動(dòng)保護(hù)等領(lǐng)域?！?dú)郑嚎捎米鞴I(yè)爐的內(nèi)襯和膨脹縫的填充物等?！垼簩⒐杷徜X纖維利用抄紙機(jī)抄造成0.2~5mm厚的硅酸鋁纖維紙，可用作高溫爐和高溫氣體管道的內(nèi)襯、電熱器具的絕緣層，用于高溫氣體的過濾等?！幙椢铮涸诠杷徜X纖維中加入15~20%的有機(jī)纖維混合紡成連續(xù)紗線，制成繩或編織物，或直接利用氧化鋁長絲制成編織物，可用于各種工業(yè)窖爐及管道接頭的隔熱、密封，高溫環(huán)境下工作的電纜的包覆材料，及工業(yè)窖爐開口部分的防熱幕簾，高溫環(huán)境下工作人員的防護(hù)服裝等。硅酸鋁纖維

十、碳化硅纖維碳化硅纖維比硼纖維更能抗氧化，即使在氧化氣氛中也能使用。耐熱性好，在高溫時(shí)，比硼纖維更能保持強(qiáng)度和剛度。例如，碳化硅纖維加熱到1350℃時(shí)，其強(qiáng)度約損失30%，而硼纖維的強(qiáng)度則全部損失。碳化硅纖維與金屬的反應(yīng)性小，浸漬性良好，與樹脂、金屬的結(jié)合性好。碳化硅

1、碳化硅纖維的制造（1）、聚硅烷的合成在有機(jī)溶劑中，使二氯二甲基硅烷與金屬鈉作用，進(jìn)行脫氯反應(yīng)，生成聚硅烷：（2）、聚碳硅烷的合成將聚硅烷加熱到400℃以上，進(jìn)行分子重排，使側(cè)鏈甲基變成亞基進(jìn)入主鏈Si—Si之間，生成聚碳硅烷：

A、紡絲：用干式紡絲或熔融紡絲，把聚碳硅烷制成纖維狀；B、不熔化處理：在較低溫度下加熱聚碳硅纖維,使其不熔化，以防止纖維在高溫?zé)Y(jié)時(shí)彼此之間發(fā)生熔粘；C、燒結(jié)：把不熔化的纖維在真空或惰性氣氛中加熱到1200℃~1500℃，使側(cè)鏈甲基及氫脫除，僅留剩Si-C鍵主鏈，即成為β-SiC結(jié)構(gòu)的碳化硅纖維。2、性能日本碳（株）生產(chǎn)的碳化硅纖維（尼可綸）的性能：單絲直徑μm:10~15

斷面形狀:園形長纖維/粗紗:500線密度tex:200

密度g/cm:2.55

拉伸強(qiáng)度

Mpa:2500~3000

拉伸模量MPa×10:1.8~20

最高使用溫度℃:12503、應(yīng)用

碳化硅纖維一般作為纖維增強(qiáng)材料，基體可選擇樹脂、金屬和陶瓷等材料。考慮到碳化硅纖維、氧化鋁纖維等一類陶瓷纖維的超高耐熱性，與金屬和陶瓷的相容性，因此它們十分適合制備增強(qiáng)金屬復(fù)合材料(FRM)和增強(qiáng)陶瓷材料(FRC)，同時(shí)這類纖維與基體界面的熱膨脹率及導(dǎo)熱率非常接近，所在耐熱復(fù)合材料的開發(fā)中發(fā)展很快，纖維的加入可提高陶瓷基體的韌性，增加抗沖擊強(qiáng)度，預(yù)計(jì)在航空、航天制品上的耐熱部件方面會(huì)得到應(yīng)用。

十二硼纖維1、硼纖維的制造硼纖維是一種新型的無機(jī)纖維，它是一種低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高溫纖維。由于硼纖維具有其他陶瓷纖維難以比擬的強(qiáng)度、模量和密度等，是制備高性能復(fù)合材料用的重要增強(qiáng)纖維材料。美國是世界上研究開發(fā)硼纖維最主要的國家，該纖維在上世紀(jì)60年代初是由美國空軍材料研究室(AFML)首先研究開發(fā)的，現(xiàn)已投入正式生產(chǎn)。此外，瑞士、英國、日本等國也開發(fā)出硼纖維。美國TEXTRONSYSTEMS(泰克斯特郎系統(tǒng)公司)是世界上研制生產(chǎn)硼纖維及其復(fù)合材料最著名公司之一，硼纖維是該公司的一種重要產(chǎn)品。該公司用鎢絲作為芯材，三氯化硼氣