玻璃纤维的物理性能与加工工艺

玻璃纤维的物理性能和加工工艺

一．物理性能

1.外观特点

一般天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的皱纹。而玻璃纤维表面呈光滑的圆柱体，其横断面几乎都是完整的圆形，宏观来看，表面光滑，所以纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。由于呈圆柱体，所以玻璃纤维彼此靠近时，空隙填充的较密实。这对提高玻璃钢制品的玻璃含量是有利的。

2.密度

玻璃纤维的密度较其它有机纤维为大，但比一般金属密度要低，几乎和铝一祥。因此在航空工业上用玻璃钢代替铝钛合金就成为可能。玻璃纤维的密度与成分有密切的关系，一般为2.5-2.7g/cm3左右，但含有大量重金属的高弹玻璃纤维密布度可达2.9g/cm3，一般来说无碱纤维的密度比有碱纤维密度要大，见下表。

3.抗拉强度

玻璃纤维的抗拉强度比同成分的玻璃高几十倍，例如有碱玻璃的抗拉强度只有40-100MPa ，而用它拉制的玻璃纤维强度可达2000MPa，其强度提高了20-50 倍，从下表可以看出，玻璃纤维的拉伸强度比高强合金钢还要高。

4.耐磨性和耐折性

玻璃纤维的耐磨性是指纤维抗摩擦的能力；玻璃纤维的耐折性是指纤维抵抗折断的能力。玻璃纤维这两个性能都很差。当纤维表面吸附水分后能加速微裂纹扩展，使纤维耐磨性和耐折性降低。为了提高玻璃纤维的柔性以满足纺织工艺的要求，可以采用适当的表面处理。如经0.2%阳离子活性剂水溶液处理后，玻璃纤维的耐磨性比未处理的高200倍，纤维的柔性一般以断裂前弯曲半径的大小表示。弯曲半径越小，柔性越好。如玻璃纤维直径为9μm时，其弯曲半径为0.094mm，而超细纤维直径为3.6μm时，其弯曲半径为0.038mm。

5.弹性

玻璃纤维的延伸率纤维的延伸率是指纤维在外力作用下，直至拉断时的伸长百分率。玻璃纤维的延伸率比其它有机纤维的延伸率低，其伸长的程度与所施加的力成正比，直到纤维断裂为止，不存在屈服点。负荷去掉后可以恢复原来长度，因此玻璃纤维是完全的弹性体。

6.电性能

由于玻璃纤维的介电性好，耐热性良好，吸湿性小，并且不燃烧，所以无碱玻璃纤维制品在电气、电机工业中得到了广泛而有效的应用。

7.热性能

玻璃纤维的导热性低，特别是玻璃棉制品密度小，寿命长和耐高温，广泛用于建筑和工业的保温、隔热和隔冷，是一种优良的热绝缘材料。玻璃的导热系数（通过单位传热面积13温度梯度为1℃/m ，时间为1h 所通过的热量）为0.7-1.28W(m.K），但拉制玻璃纤维后，其导热系数只有0.035W(m.K产生这种现

象的原因，主要是纤维间的空隙较大，密度较小。密度越小，其导热系数越小，主要是因为空气导热系数低所致。导热系数越小，隔热性能越好。当玻璃纤维受潮时，导热系数增大，隔热性能降低。

8.吸声性能

玻璃纤维还有优良的吸声、隔声性能，在建筑、机械和交通运输方面得到广泛的应用。吸声系数是当声波传到物体表面时，物体表面所吸收的声能与落在表面总声能的比值。一般材料的吸声系数大小与声源物体振动频率有关。例如用棉花制成的隔声物质，当音频为２００ＨＺ变到１２００ＨＺ时，吸声系数可由０.09 变到0.92，所以各种材料的吸声系数都有一定的音频特性。玻璃棉的吸声系数、频率特性与玻璃纤维容积密度、厚度、纤维直径等指标密切有关。一般的规律是：随着密度的增加，吸声系数不断增加。

二．加工工艺

生产玻璃纤维的主要原料是为石英砂、氧化铝、叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等。玻纤需要将矿物放在1600度以上的熔窑内溶制，一旦点火后就会连续生产7-8年，很少停车，否则窑内的耐火材料等需要重新更换。在玻纤的成本中，能源和叶腊石等矿石占比较大。玻璃纤维生产工艺可分为坩埚法拉丝工艺及池窑拉丝工艺两种。

生产玻璃纤维的主要原料是为石英砂、氧化铝、叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等。玻纤需要将矿物放在1600度以上的熔窑内溶制，一旦点火后就会连续生产7-8年，很少停车，否则窑内的耐火材料等需要重新更换。在玻纤的成本中，能源和叶腊石等矿石占比较大。玻璃纤维生产工艺可分为坩埚法拉丝工艺及池窑拉丝工艺两种。

1、坩锅法拉丝工艺

坩锅法拉丝工艺被称为二次成型工艺。即先把玻璃配合料经高温熔化制成玻璃球，再将玻璃球二次加热至熔化，再高速拉制成一定直径的玻璃纤维原丝。这种生产工艺工序繁多，又由于玻璃球二次加热熔化，给生产及产品带来很多弊端，诸如能耗高、成型工艺不稳定、产品质量不高、劳动生产率低，使生产规模和自

动化水平受到一定限制。因此，目前大的玻纤生产厂家基本已经淘汰了这种生产工艺。

2、池窑法拉丝工艺

另一种为池窑法拉丝工艺，又被称为一次成型工艺。这种生产工艺是将各种玻璃配合料在池窑熔化部经高温熔成玻璃液，在澄清部排除气泡成为均匀的玻璃液，再在成型通路中辅助加热，经池窑漏板，高速拉制成一定直径的玻璃纤维原丝。一座窑炉可以通过数条成型通路，安装上百台拉丝漏板同时生产。池窑拉丝工艺温度控制合理，节约能源消耗，也使生产工艺稳定，产品产量、质量得以提高。采用这种池窑法拉丝工艺能实现大规模化工业生产，并容易实施最先进的全自动控制技术，使劳动生产效率得以大幅度提高。因此，池窑法拉丝工艺已经成为当前国际上的主流拉丝工艺。用这种方法生产的玻璃纤维总量约占全球总量的85%～90%。

泊素叶定律：

Q-单位时间的体积流量

∆P-毛细管两端的流体静压力差

D-毛细管直径

R-毛细管半径

L-毛细管长度

R-所研究的毛细管截面上的半径

V-所研究的半径处的流动速度

η-液体的粘度

假定：

1.液体是牛顿液体，即温度一定的条件下，剪切应力和剪切应变呈现线性关系

2.液体在毛细管中等温流动，粘度恒定不变

3.液体在毛细管中为层流，Re<=2300

4.液体是纯液体，不与管壁发生物理效应和化学反应

5.毛细管长径比很大（>=20),可以忽略入口效应和出口效应玻璃纤维力学性能指标4 5 -6