玻璃纤维的应用

背景及概述^[1][2]

世界玻璃纤维工业创立于1938 年，国外已有50 余年的发展史。玻璃纤维的产量、生产工艺、品种规格以及应用领域都在不断发展。据统计，目前世界上生产玻璃纤维的国家有三十多个，破璃纤维有近五千种，用途有四万余种。作为新型材料，玻璃纤维增长十分迅速。我国玻璃纤维工业始于1958 年，技术主要来于前苏联。当时，国外对我国进行技术封锁，导致国内玻璃纤维行业只能采用产量低、性能不稳定、能耗大、污染大的200 孔球法坩埚拉丝工艺生产。

1980 年后，我国引入了玻璃纤维池窖拉丝法生产工艺，用该方法生产玻璃纤维可以达到产量高、能耗低的效果。新工艺的引进加快了我国玻璃纤维行业的发展，使得生产出产品的质量与产量都在逐年增加。

玻璃纤维是性能优异的无机非金属材料。具有不燃、耐高温、绝缘、拉伸强度高的优点以及良好的化学稳定性。由于玻璃纤维的优异性能，使得玻璃纤维产品被广泛的应用于各领域，诸如石油、化工、建筑、环保以及航空、国防等领域。

特性^[1]

玻璃纤维的熔点为680 ℃，沸点为1000 ℃，密度为2.4~2.7g /cm3。抗拉强度在标准状态下是6.3~6.9 g /d，湿润状态5.4~5.8 g /d，密度2.54。玻璃纤维的耐热性好，同时是绝缘性良好的高级绝缘材料，适用于生产绝热防火材料。玻璃纤维的分子结构见图。

理化性质^[1]

1）物理性质：玻璃纤维的物理性能主要表现在密度、断裂强度、尺寸稳定性以及硬度方面。玻璃纤维与其他几种纤维的主要性能如下：

从上表列出的数据对比可看出玻璃纤维的密度比有机纤维的密度高，比金属纤维的密度低。另外玻璃纤维的硬度远高于锦纶，具有良好的抗弯曲性。相同质量下玻璃纤维的断裂强度约为钢丝的2~4 倍，具有较高的拉伸强度。玻璃纤维的伸长率仅为3%，尺寸稳定性极佳。

2）化学性质：玻璃纤维是一种无机纤维，自身不燃，耐热性佳。玻璃纤维的导热系数很小，所以它常用于管道和容器的隔热，或者用来制作成型件的绝缘壳；玻璃纤维具有良好的抗腐蚀性，化学性质十分稳定。同时，玻璃纤维还具有高比电阻和低电介质常数。玻璃的成分决定玻璃纤维的电性能，尤其是碱氧化物成分含量。玻璃纤维还具有不易老化、抗腐蚀、防紫外线、不发霉的特性。

可以通过采用适合的表面处理剂来改善玻璃纤维的加工性能。玻璃纤维自身的特性，导致玻璃纤维的耐磨性、吸湿性、抗弯性、柔软性都较差的缺陷。断落的玻璃纤维，触及人体使人感觉不舒服，皮肤发痒。

另外，玻璃纤维染色困难，生产成本较高。玻璃纤维由氧化镁、氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化钠、二氧化硅等成分构成。玻璃纤维中碱含量为0%~2% 的玻璃纤维称为无碱玻璃纤维，碱含量为8%~12%的玻璃纤维称为中碱玻璃纤维，碱含量高于13%的玻璃纤维称为高碱玻璃纤维。

作用机理^[1]

玻璃纤维可用于增加材料刚性、硬度，例如添加玻璃纤维的塑料的强度和刚性都会有所增加，但韧性会下降；添加了玻璃纤维的材料，耐热性将会有所增加，例如添加玻璃纤维的尼龙，其耐温达220 度以上。

玻璃纤维还具有以下作用： 提高材料尺寸稳定性；降低材料收缩率、减少材料翘曲变形、蠕变；干扰材料阻燃体系，影响材料的阻燃效果；降低材料表面的光泽度；增加材料的吸湿性；影响材料的脆性、冲击强度。根据玻璃纤维不同的特性，可以生产不同种类的应用材料，如玻璃纤维具有耐热、不燃的特性，可以生产防火隔热产品；耐腐蚀的特性可以在生产工业过滤材料方面得到应用；其较高的抗拉强度与吸水性小的特点可用来生产减震材料与防潮材料。

应用^[1]

玻璃纤维产品主要为以下几种：

1) 玻璃布。分为无碱和中碱两类。无碱玻璃布主要用来生产车体和船体的外壳、模具、贮罐以及绝缘电路板。中碱玻璃布主要用于生产耐腐蚀产品如化学品容器，也可用来生产涂塑包装布。生产织物所选用纤维的性能以及织物的纱线结构和经纬密度影响着织物的特性。

2) 玻璃带。由玻璃纤维通过平纹编织制成，有光边带和毛边带两种。一般要求介电性能好以及高强度的电气设备的零件都是用玻璃纤维制造的。

3) 单向织物。单向织物由粗经纱和细纬纱织成的四经破缎纹或长轴缎纹织物。特点是在经纱主向上具有高强度。

4) 立体织物。具有三维结构特征的织物，能够增强复合材料的整体性和仿生性，并且可以增加复合材料的抗损伤容限，在体育、医疗、交通、航天、军事等领域有着广泛的应用。立体织物包括机织、针织三维织物；正交、非正交三维织物。立体织物的形状有柱状、管状、块状等。

5) 槽芯织物。将两层平行织物通过纵向竖条连接形成的织物，截面为矩形或者三角形。

6) 异形织物。异形织物形状相似于其要增强的产品形状，因此根据其增强的产品的形状不同，须按不同要求在专用织机上进行织造。可以制成对称与不对称两种形式的异形织物。

7) 组合玻璃纤维。按一定顺序将连续原丝毡、短切原丝毡、无捻粗纱以及无捻粗纱织物进行混合生产而出的制品。这些组合顺序一般为短切原丝毡+ 无捻粗纱织物；短切原丝毡+ 无捻粗纱布+ 短切原丝毡；短切原丝毡+ 连续原丝毡+短切原丝毡；短切原比毡+ 随机无捻粗纱；短切原丝毡或布+ 单向碳纤维；短切原丝+ 表面毡；玻璃布+ 单向无捻粗纱或玻璃细棒+ 玻璃布。

8) 玻璃纤维绝缘套管。将树脂材料涂在管状玻璃纤维织物上而形成的。其种类包括PVC 树脂玻纤漆管、丙烯酸玻纤漆管、硅树脂玻纤漆管等。

9) 玻璃纤维缝编织物。又称为编织毡或针织毡，与普通的织物和毡有所不同。通过缝编把重叠在一起的经纱与纬纱编织成的织物就是缝编织物。缝编织物与玻璃钢的层合制品，在抗弯强度、抗张力强度以及表面光滑度方面都有较高的提升。

10) 玻璃纤维布。玻璃纤维布分为六个种类，分别是： 玻纤网格布、玻纤方格布、玻纤平纹布、玻纤轴向布、玻纤电子布。玻璃纤维布主要被应用于玻璃钢行业，也可用于建筑行业。在玻璃钢行业的应用中，玻璃纤维布的主要作用是用来增加玻璃钢强度。在建筑行业的应用中，用于制作建筑外墙保温层，内墙装饰，内墙防潮防火材料等。

制备^[1]

玻璃纤维的制造过程一般是先将原料进行熔融，之后进行纤化处理，如果要制成玻璃纤维球或者纤维棒的形状，则不能直接进行纤化处理。玻璃纤维的纤化工艺有三种：

1）拉丝法：主要方法为长丝喷嘴拉丝法，其次为玻璃棒拉丝法和熔体滴拉丝法；

2）离心法：转鼓离心法、阶梯离心法和水平瓷盘离心法；

3）吹喷法：吹喷法和喷嘴吹喷法。

以上几种工艺也可以联合使用，如拉丝—吹喷法等。后加工在经过纤化之后进行。纺织玻璃纤维的后加工分为以下两大步骤：

1) 在生产玻璃纤维过程中，卷绕前合并在一起的玻璃长丝要进行上浆处理，在收集与孔眼转鼓前要用润滑剂对短纤维进行喷洒。

2) 进一步加工，根据玻璃短纤维和玻璃短纤维粗纱的情况不同，有如下步骤：

玻璃短纤维加工步骤：

②玻璃短纤维粗纱加工步骤：

主要参考资料

[1] 玻璃纤维的应用与发展

[2] 玻璃纤维复合材料的应用