玻璃纤维

玻璃纤维

王移丽

新疆大学大学纺织与服装学院，新疆乌鲁木齐830046

摘要玻璃纤维是现代纺织行业重要的纤维材料之一,因其具有优异的性能在现代社会中得到广泛的应用。概述现有对玻璃纤维进行表面处理的方法并对玻璃纤维的应用前景做了简要的展望。

关键词玻璃纤维；制备；性能；应用；表面处理

引言

玻璃纤维是无机非金属材料中的一种新型功能材料和结构材料。由于具有耐高温性能好、抗腐蚀性强、强度高、吸湿性低、延伸小及绝缘性好等一系列优异特性，目前已广泛应用于电子、通讯、核能、航空、航天、兵器、舰艇及海洋开发、遗传工程等高新技术产业，成为我国21世纪不可缺少的可持续发展的高新技术材料。

1概述

1.1玻璃纤维的概况

玻璃纤维工业自1938年创立以来，其产量、生产工艺、品种规格和应用领域在不断发展，自20世纪60年代,玻璃纤维在飞机上就获得了应用,但由于当时的价格昂贵、工艺性能欠佳等原因,未能获得进一步的发展和重视。后来随着技术的改进和应用领域的扩大,玻璃纤维越来越多地用于军事方面,特别是航天、航空工业,约占航天航空用的增强纤维中的67.7%。随后,其应用范围日益扩大,如体育器具、建筑构件、轻工制品、化工管道、车工业、医疗器械、舟艇船舰等都已普遍采用玻璃纤维及其复合材料。自20世纪80年代以来,其年均增长率高达10%左右。

1.2玻璃纤维的结构

玻璃纤维是无定形的无机材料,由氧化硅及其它氧化物组成。硅、硼、磷等元素的氧化物构成网络结构,而钠、钾、钙、镁等金属氧化物中的金属离子,填入网络中的空隙,对玻璃的性质起着重要作用,其中微量金属离子,如钛、铍等元素起到改性剂的效果,使玻璃纤维具有所要求的特性。硅酸钠玻璃纤维的结构如图1所示[1]

。

图1硅酸钠玻璃纤维结构示意图

1.3玻璃纤维的分类

1.3.1按其化学组成分类

（1）无碱玻璃纤维：是指化学组成中碱金属氧化物含量0%～2%的铝硼硅酸盐成分的玻璃纤，其特点是具有良好的电气绝缘性，耐水性、机械强度都比较好，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，其缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境，称为E-玻纤。

（2）中碱玻璃纤维：是指化学组成中金属氧化物含量为8%～12%左右的钠钙硅酸盐体系的玻璃纤维，其耐酸性好，机械强度为无碱玻璃纤维的75%左右，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产，其价格低于无碱玻璃纤维。这类玻璃纤维常选用含硼、钙高，含碱低的成分，耐水、耐酸性较强，称为C-玻纤。

（3）高碱玻璃纤维：是指化学组成中金属氧化物含量为14%～17%的钠钙玻璃体系的玻璃纤维，这种玻璃纤维含碱量高，故机械强度较差、耐水性差、耐酸性好。其原料来源方便，还可利用平板、瓶罐等碎玻璃制成，成本低廉，可作蓄电瓶隔离片、管道包扎布、沥青油毡基布等。这种玻璃纤维因碱含量较高，称为A-玻纤。

（4）特种玻璃纤维：它是指化学组成适应特殊用途的玻璃纤维，如高弹性模量玻璃纤维(M-玻纤）引入BeO、Li 2O、ZrO 2、TiO 2、；防辐射玻纤引入PbO、ZrO 2、BeO、Ta 2O 5、WO 3等。1.3.2按其纤维形态分类

（1）连续玻璃纤维：它是指熔融玻璃液从漏板小孔流出后，由外力拉引成无限长的无机纤维。一般单丝直径为3～9m的细纤维可供纺织加工成玻璃纱、布、带等；单丝直径为10～19m的纤维可制成无纺或少纺制品，如无捻粗纱、布、薄毡等；还有大部分连续纤维用来增强聚合物复合材料。由于连续纤维基本都要经过纺织加工，所以又称纺织玻璃纤维。

（2）定长玻璃纤维：它是指长度有限，一般为300～500mm左右，俗称长棉。可做成毛纱并加工成毛纱织物，也可做成薄毡，用作防水材料、过滤材料及隔热材料。

（3）玻璃棉：玻璃棉也是一种定长纤维，其长度在150mm左右或者更短；形态上蓬松，类似棉絮，也称短棉。可用离心力或气流喷吹制得玻璃棉。纤维直径小于3mm的称超细绵，3～6mm的称细棉，可制成棉毡、板、纸等制品，是高效能的保温材料。

2玻璃纤维的制备

按照不同的玻璃纤维要求,把硅砂、石

英、硼酸及粘土等原料按不同的比例混合,送入高温炉中融炼,制成玻璃熔融体,靠自重从喷丝板的小孔中流出,冷却成形的同时,快速地卷绕而得到玻璃长纤维。典型的生产装置如图2所示。这种方法类似于化学纤维的熔融纺丝,炉中的熔融温度随玻璃的成分不同稍有变化,一般在1100℃～1300℃左右。

玻璃短纤维用长丝切断法制成,也可由熔

融玻璃直接从喷嘴中吹出,在高速气流下玻璃熔体细化冷却,发生断裂,收集吹落的玻璃短纤维即可,也常称为玻璃棉[2]

。

图2玻璃纤维的生产装置图[3]

3玻璃纤维的性能与应用

3.1玻璃纤维的性能

3.1.1物理性能

表1给出了玻璃纤维、碳纤维和部分常用

纺织纤维及金属材料的主要性能[4]。

表1玻璃纤维与其他纺织纤维及金属材料的主要性能

材料种类密度（g/cm 3

）

断裂强度（N）伸长率（%）

玻璃纤维

2.541370～14702～3棉 1.5255～6867～10蚕丝 1.25392～520 1.3～31锦纶 1.1444～58826～32碳纤维 1.82790～3100 1.5～1.6铝 2.7127～1774～8钢

7.8

363～441

20～30

由表1可以得出，玻璃纤维的物理性能主要包括四个方面：

（1）断裂强度。与普通纺织产品相比，玻璃纤维所具备的断裂强度较强，其拉伸强度显著，而在重量相等的情况下，玻璃纤维所具备的断裂强度要比普通的金属如钢丝等高出3倍以上。

（2）硬度。与锦纶相比，玻璃纤维所具备的硬度要高15倍，而这种高强度的硬度通常与其自身的脆性进行有机结合，进而产生较明显的低弯曲阻抗性。

（3）密度。与有机纤维材料相比，玻璃纤维所具备的密度比较高，但与金属纤维相比，玻璃纤维所具备的密度则相对比较低。

（4）尺寸稳定性。与其他纤维产品相比，玻璃纤维所具备的身长度比较低，仅有3%，因此其很难随着温度的变化而变化，其尺寸具备较高的稳定性。3.1.2化学性能

作为无机纤维中重要的材料，玻璃纤维不仅具备较高的耐热性，且其自身无法进行燃烧，因此可以作为有效的绝热保温材料，这是玻璃纤维与其他纺织纤维的不同之处。玻璃纤维所具备的导热系数通常比较小，比其他纺织纤维要小很多，因此其可以充当重要的隔热工具，如容器隔热或管道隔热。同时玻璃纤维可有效阻抗酸或碱等入侵，其受腐蚀性化学产品的影响较小。在玻璃纤维中，其所具备的电性能与其自身存在的化学成分有着密切的关系，而其自身的碱氧化物是决定其电性能的主要因素之一。此外玻璃纤维还具有耐老化、防腐、防霉、抗紫外线辐射等性能。

3.2玻璃纤维的应用

3.2.1玻璃纤维在电工绝缘领域的应用

电工绝缘材料根据JB/T2197-1996电气绝缘材料产品分类可分为8大类,而与玻璃纤维相关的就有6类,这也就足以说明玻璃纤维在这一领域中