玻璃纖維的應(yīng)用及發(fā)展

導(dǎo)讀

玻璃纖維具有優(yōu)異的性能并在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是一種可代替金屬的無機(jī)非金屬材料。因其良好的發(fā)展前景，各大玻璃纖維企業(yè)都著力于玻璃纖維的高性能化、工藝優(yōu)化研究。

01.玻璃纖維的概念

1.1玻璃纖維的定義

玻璃纖維是一種可代替金屬且性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，其制備是通過外力的作用把熔融狀態(tài)的玻璃拉絲成纖維狀，具有高強(qiáng)度、高模量和低延伸率的特點(diǎn)，優(yōu)良的耐熱性和壓縮性，熱膨脹系數(shù)大、高熔點(diǎn)，其軟化溫度可達(dá)550~750℃，化學(xué)穩(wěn)定性好，不易燃燒，具備一定的耐腐蝕性等優(yōu)良特性，在很多領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用[1]。

1.2玻璃纖維的特性

玻璃纖維的熔點(diǎn)為680℃，沸點(diǎn)為1000℃，密度為2.4～2.7g/cm3。抗拉強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是6.3～6.9g/d，濕潤狀態(tài)5.4～5.8g/d。玻璃纖維的耐熱性好，同時(shí)是絕緣性良好的高級(jí)絕緣材料，適用于生產(chǎn)絕熱防火材料。

1.3玻璃纖維的成分

生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃與其它玻璃制品的玻璃不同[2]。生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃所含成分如下:

（1）E-玻璃，又稱無堿玻璃，屬硼硅酸鹽玻璃。在目前生產(chǎn)玻璃纖維用的材料中，無堿玻璃的應(yīng)用多。無堿玻璃具有良好的絕緣性和機(jī)械性能，主要用來生產(chǎn)絕緣玻璃纖維和高強(qiáng)度玻璃纖維，但是無堿玻璃不耐無機(jī)酸腐蝕，所以不適合在酸性環(huán)境中使用。

(2)C-玻璃，又稱中堿玻璃。與無堿玻璃相比，有較好的耐化學(xué)性，電氣、機(jī)械性能差。在中堿玻璃中添加三氯化二硼可生產(chǎn)玻璃纖維表面氈，具有耐腐蝕的特性。不含硼的中堿玻璃纖維主要用于生產(chǎn)過濾織物與包扎織物。

(3)高強(qiáng)玻璃纖維，顧名思義，高強(qiáng)玻璃纖維具有高強(qiáng)度高模量的特性。其纖維抗拉強(qiáng)度為2800MPa，高于無堿玻纖抗拉強(qiáng)度25%左右，彈性模量為86000MPa，高于E-玻璃纖維［3］。高強(qiáng)玻璃纖維的產(chǎn)量不高，加上其高強(qiáng)度高模量的特性，所以一般用于軍工、航空航天及運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域，其他領(lǐng)域應(yīng)用并不廣泛。

(4)AＲ玻璃纖維，又稱耐堿玻璃纖維，是一種無機(jī)纖維。耐堿玻璃纖維耐堿性好，可抗高堿物質(zhì)的腐蝕。具有極高的彈性模量以及抗沖擊、抗拉、抗彎強(qiáng)度，同時(shí)還具有不燃、抗凍、耐溫濕變化能力強(qiáng)，抗裂、抗?jié)B性能好，可塑性強(qiáng)，易成型的特性，是玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的肋筋材料。

02.玻璃纖維的制備

玻璃纖維的制造過程一般是先將原料進(jìn)行熔融，之后進(jìn)行纖化處理，如果要制成玻璃纖維球或者纖維棒的形狀，則不能直接進(jìn)行纖化處理。玻璃纖維的纖化工藝有三種[4]：

拉絲法：主要方法為長(zhǎng)絲噴嘴拉絲法，其次為玻璃棒拉絲法和熔體滴拉絲法；

離心法：轉(zhuǎn)鼓離心法、階梯離心法和水平瓷盤離心法；

吹噴法：吹噴法和噴嘴吹噴法。

以上幾種工藝也可以聯(lián)合使用，如拉絲—吹噴法等。后加工在經(jīng)過纖化之后進(jìn)行。紡織玻璃纖維的后加工分為以下兩大步驟[4]：

(1)在生產(chǎn)玻璃纖維過程中，卷繞前合并在一起的玻璃長(zhǎng)絲要進(jìn)行上漿處理，在收集與孔眼轉(zhuǎn)鼓前要用潤滑劑對(duì)短纖維進(jìn)行噴灑。(2)進(jìn)一步加工，根據(jù)玻璃短纖維和玻璃短纖維粗紗的情況不同，有如下步驟：

①玻璃短纖維加工步驟：

②玻璃短纖維粗紗加工步驟：

03.玻璃纖維的應(yīng)用

3.1玻璃纖維在電工絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用

電工絕緣材料根據(jù)JB/T2197-1996電氣絕緣材料產(chǎn)品分類可分為8大類，而與玻璃纖維相關(guān)的就有6類，這也就足以說明玻璃纖維在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用之廣，這6類材料包括[5]：

(1)絕緣浸漬制品：由玻璃纖維布、套管、無紡綁扎帶等經(jīng)浸漬或涂覆絕緣漆制成，用于電機(jī)、電器的包扎絕緣、相間絕緣、絕緣保護(hù)和襯墊等等。

(2)玻璃纖維增強(qiáng)塑料層壓制品：是以無堿玻璃纖維為增強(qiáng)材料，酚醛、環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂為基材而制成的材料，用于電機(jī)變壓器、電工儀表、電子設(shè)備等，其中印制電路板用的覆銅箔層壓板就是其中的一種。

(3)玻璃纖維模塑料：如BMC(散狀模塑料)、DMC(團(tuán)狀模塑料)、CMC(片狀模塑料)等,在高壓開關(guān)中用作絕緣隔板、提升桿等，在空氣開關(guān)和家用電器的外殼以及各種阻燃支撐絕緣件中都有用到。

(4)云母制品：云母帶、云母板、云母箔等用作電機(jī)或高壓電機(jī)的絕緣器件。

(5)絕緣粘帶和復(fù)合制品：用于絕緣綁扎。

(6)電磁線：用于繞線電機(jī)、電器、電工儀表的繞組和線圈以及大型電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)的繞組材料。

3.2玻璃纖維在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展所必須的生態(tài)因素，我國政府明確指出保護(hù)環(huán)境是我國長(zhǎng)期堅(jiān)持的基本。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)域均有著較為廣闊的應(yīng)用。

玻璃纖維過濾材料在改善廢氣成分、降低粉塵排放量等方面做出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。美國HollingSworth&Vose公司開發(fā)的低硼玻璃纖維過濾材料可以解決懸浮分子污染帶來的問題。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(duì)廢氣冷卻，從而降低了廢氣處理的費(fèi)用。此外，一種玻璃纖維空氣過濾紙，是由玻璃纖維和脫臭劑沸石組成，用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中可以除去空氣中的異味，如煙草煙臭味，從而達(dá)到凈化空氣的目的。

玻璃纖維在水環(huán)境和土壤環(huán)境中亦有很好的應(yīng)用。美國伊利諾斯大學(xué)研制的由酚醛涂層玻璃纖維織成的耐磨織物可以有效而方便地代替常用的活化碳粒子來吸收環(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)了廢水處理和回收的技術(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%。

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方法，可提高土壤的強(qiáng)度。另外經(jīng)過玻璃纖維和合成纖維加固的土壤，可以用于制作固體廢棄物的填埋坑。

3.3玻璃纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

由于玻璃纖維的優(yōu)良性能使玻璃纖維織物具有強(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，玻璃纖維織物與各種樹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H.D.Michael等人發(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)[6]。

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結(jié)構(gòu),與成骨蛋白(BMP)結(jié)合并植入動(dòng)物體內(nèi),以此可研究成骨誘導(dǎo)因素制定骨組織工程戰(zhàn)略。通過研究人員的多次實(shí)體試驗(yàn)，證實(shí)CPSA(CaO-P2O5-SiO2-Al2O3)復(fù)合材料具有理想的生物相容性，而且CPSA玻璃纖維在牙科中已投入臨床應(yīng)用。

實(shí)踐證明，玻纖膜濾器對(duì)白細(xì)胞有著很強(qiáng)的吸附能力和捕獲能力,具有很高的白細(xì)胞去除率，而且作業(yè)穩(wěn)定性極好。另外，玻璃纖維用作呼吸器的濾毒器已有多年歷史，這種濾材對(duì)空氣的阻力很小，細(xì)菌過濾效率很高。

3.4玻璃纖維在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用

眾所周知，以水泥為基體的建筑材料突出的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高而抗彎、抗拉強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度低，隨著人們對(duì)玻璃纖維的深入研究開發(fā),耐堿玻璃纖維的問世便產(chǎn)生了一種新型的克服了水泥基體缺陷的玻璃纖維增強(qiáng)水泥材料，這種材料不僅可以提高水泥基的抗彎、抗拉強(qiáng)度，還可以提高其抗沖擊強(qiáng)度。

玻璃鋼是以熱固性或熱塑性樹脂為膠結(jié)料，以玻璃纖維紗或玻璃布為填充料的一種復(fù)合材料。其綜合發(fā)揮了這兩種材料的優(yōu)點(diǎn),具備輕質(zhì)高強(qiáng)的主要特點(diǎn)，耐熱性、耐腐蝕性及電絕緣性都良好。玻璃鋼在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用有采光、衛(wèi)生、裝飾裝修、給排水、采暖通風(fēng)、圍護(hù)土木、電氣、工裝器具等。

玻纖胎是玻璃纖維在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的又一種材料，是通過短切玻璃纖維濕法成型，然后浸漬高分子粘結(jié)劑，經(jīng)高溫干燥固化而成的玻璃纖維制品，具有良好的防水性能及耐老化耐霉變性能，尺寸穩(wěn)定且具有良好的加工性能。同時(shí)，在施工時(shí)可采用熱溶或冷粘法，因此全年施工都不會(huì)受氣候的影響。

3.5玻璃纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域薈萃了當(dāng)今世界上先進(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)合材料已成為航空航天工業(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空航天事業(yè)發(fā)展的基石。

在航空上，無論是民用客機(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)約了能源?？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)到了質(zhì)輕美觀耐用的效果。

在航天領(lǐng)域,高性能玻纖復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)材料在運(yùn)載火箭和航天器上的應(yīng)用越來越普遍。利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)展史上的一個(gè)里程碑，它具有耐腐蝕、耐高溫、耐輻射、阻燃、抗老化的性能。航天器上的防熱材料大量采用了纖維、高硅氧增強(qiáng)酚醛樹脂。

另外科研人員對(duì)玻璃纖維表面進(jìn)行了化學(xué)等處理，有效地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，比的確涼布軟14倍，成功的用于宇航服的制作?？傊ＡЮw維這種材料從我國神舟2號(hào)開始直到神舟7號(hào)載人飛行均獲得了成功應(yīng)用。

小結(jié)：

近年來，隨著國內(nèi)玻璃纖維的迅速發(fā)展，我國逐步成為了世界上大的玻璃纖維生產(chǎn)國，對(duì)玻璃的需求量也在逐年增加。國內(nèi)玻璃纖維行業(yè)的產(chǎn)能增長(zhǎng)基礎(chǔ)是需求的增加，在滿足國內(nèi)需求的同時(shí)進(jìn)行外銷。

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