玻璃纤维及其制品

工业内窥镜
7.1.1 玻璃纤维的发展状况
玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。 国外玻璃纤维特点： 1. 技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，发展多排 多孔拉丝工艺 2. 直径越来越粗，纤维直径为14~24μm，甚至达到 27μm 3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物
4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶 联剂的品种不断增加 5. 重视纤维－树脂界面的研究，玻璃纤维的前 处理受到普遍重视
物质 种类 羊毛 蚕丝 亚麻 原棉
容积密度 (kg/m3)
80
100 130 81
物质 容积密度 导热系数 (kg/m3) [W/(m· [W/(m· K)] K)] 种类 0.034~0.046 玻璃纤维 80 0.034 0.046~0.052 0.7~1.3 玻璃 0.046~0.053 0.0246 空气
~15
100~ 300
16~ 50 350
10~ 20 300~ 700
18
块状
300~ 600
块状
块状 块状
40~ 460
5~8
440
1600
20~ 1000~ 120 3000
微裂纹假说： 玻璃的理论强度很高，可达2000 ~12000 MPa， 但实测强度很低：在玻璃或玻璃纤维中存在着数量 不等、尺寸不同的微裂纹，大大降低了强度。微裂 纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内，但以表面 的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，使玻璃在 外力作用下受力不均，微裂纹处产生应力集中，从 而使强度下降。 玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均 一性，使微裂纹产生的机会减少；玻璃纤维的断面 较小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使玻璃纤 维强度增高。
玻璃钢使用的玻璃纤维直径5μm~20μm，其 密度较有机纤维大很多，但比一般金属密度要低。
纤维 名称
羊毛 蚕丝 棉花
人造丝
1.50~ 1.60
尼龙
1.14
碳纤维
1.4
玻璃纤维 无碱 有碱 2.6~ 2.7 2.4~ 2.6
密度 1.28~ 1.30~ 1.50~ g/cm3 1.33 1.45 1.60
加入氧化钙、三氧化二铝能在一定条件下构成 玻璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性。 玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤 维物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性； 另一方面要满足制造工艺的要求，如合适的成型温 度、硬化速度及粘度范围。
玻璃 纤维 种类
国内外常用玻璃纤维的成分 SiO2 Al2O3 CaO MgO 4.5± 0.5 4.0± 0.5 4.2± 0.5 4.2 4.4 3 16.0 10 2.5 3 8 6 ZrO2 B2O3 9.0± 0.5 9.0± 0.5 Na2O <0.5 <2.0 11.5± 0.5 12 0~3 8 <0.5 K2 O
玻璃纤维结构示意图
7.2.3 玻璃纤维的化学组成 玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、 三氧化二硼(B2O3)、氧化钙(CaO)、三氧化二铝 (Al2O3)等 以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可 以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容 易排除，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而 达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电 绝缘性和化学稳定性会相应的降低
0.058~0.062
导热系数
水
0.60
(2) 玻璃纤维的耐热性 玻璃纤维的耐热性较高，软化点为550℃~580℃， 热膨胀系数为4.8×10-6 ℃；200℃ ~250℃以下， 玻璃纤维强度不变
7.3.2 玻璃纤维的化学性能
化学成分对玻璃纤维化学稳定性的影响： 玻璃纤维除氢氟酸(HF)、浓碱(NaOH)、浓磷酸外，对 所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性。
第三篇 复合材料增强材料
增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、 弹性模量等力学性能的材料。 增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且 能降低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋 予复合材料新的性能 增强材料种类 物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等
玻璃纤维、碳纤维 与石墨纤维、硼纤 维、芳纶纤维等
无碱1# 54.1± 15.0± 16.5± 0.7 0.5 0.5 无碱2# 54.5± 13.8± 16.2± 0.7 0.5 0.5 无碱5# 67.5± 0.7 中碱 B17 E C 66.8 53.5 65.0 6.6± 0.5 4.7 16.3 4 9.5± 0.5 8.5 17.3 14
无碱 有碱
5.01 4.70
2000 1600
无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧百度文库物，它主要 通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应 的降低
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低—纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀
分子取向假说：
在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机 的牵引作用，使玻璃纤维分子产生定向排 列，从而提高了玻璃纤维强度。
影响玻璃纤维强度的因素： ① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高 随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降
直径(μm) 性能
4
3000~ 3800
5
2400~ 2900
7
1750~ 2150
9
11
拉伸强度 (MPa)
1250~1 1050~1 700 250
玻璃纤维长度(mm) 5 20 90 1560
纤维直径(μm) 13 12.5 12.7 13
平均拉伸强度(MPa) 1500 1210 360 720
② 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。 玻璃纤维 纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
• 7.4 玻璃纤维及其制品
– 7.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺 – 7.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能
• 玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的 是，玻璃一旦经加热，被拉制成比头 发还要细得多的玻璃纤维之后，它就 变得像合成纤维那样柔软，而坚韧的 程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝！
玻璃纤维有啥用处呢？
S
G-20 A
64.3
71.0 72.0
25.0
1.0 0.6
10.3
0.3
2.49 14.2
E—无碱玻璃纤维；C—耐酸；S—高强；G-20抗碱；A—普通有碱
7.3 玻璃纤维的性能
7.3.1 玻璃纤维的物理性能
1. 外观和密度 玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑， 纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。 玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实， 有利于提高玻璃钢制品的玻璃含量。
国内玻璃纤维特点：
较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多 数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推 广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维－树脂界 面，重视纤维-树脂界面的研究。
7.1.2 玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多，一般可从 玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤 维特性等方面进行分类。
(1) 以玻璃原料成分分类
7 玻璃纤维及其制品
本节主要内容
• 7.1 概述
– 7.1.1 玻璃纤维的发展状况 – 7.1.2 玻璃纤维的分类
• 7.2 玻璃纤维的结构与组成
– 7.2.1 玻璃纤维的物态 – 7.2.2 玻璃纤维的结构 – 7.2.3 玻璃纤维的化学组成
• 7.3 玻璃纤维的性能
– 7.3.1 玻璃纤维的物理性能 – 7.3.2 玻璃纤维的物理性能
(2) 以单丝直径分类
玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分 成几种：
粗纤维： 30μm；初级纤维：20μm 中级纤维：10μm～20μm； 高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)； 超细纤维：单丝直径小于4μm。
单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异， 而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般 5μm－10μm纤维作为纺织制品用；10μm－14μm 的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等 较为适宜。
7.8 25~35 2~3 20~25
(3)玻璃纤维的耐磨性和耐折性
玻璃纤维的耐磨性和耐折性能很差，尤其在潮湿环境 下玻璃纤维表面吸附水分后能加速微裂纹的扩展
改进玻璃纤维的柔性措施：表面处理 0.2%阳离子活性剂水溶液处理
3. 玻璃纤维的热性能 (1) 玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数：0.7W/(m· K)~1.3W/(m· K) 玻璃纤维导热系数：0.034W/(m· K) 原因：纤维间的空隙较大，容积密度较小，空气导热系数低
纤维种类 弹性模量(MPa) 影响玻璃纤维的弹性模量的主要因素：化学组成 延伸率(%) 加入BeO、MgO能提高玻璃纤维的弹性模量 72000 3.0 无碱纤维(E) 有碱纤维(A) 66000 2.7
棉纤维 羊毛纤维 亚麻纤维 芳纶纤维 高合金钢 铝合金
10000~12000 6000 30000~50000 3000 160000 42000~46000
无捻粗纱
短切纤维
7.2 玻璃纤维的结构与组成
7.2.1 玻璃纤维的物态
•玻璃纤维是纤维状的玻璃。 •玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。 •定义：
由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机 械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。
•特点：没有固定的熔点
7.2.2 玻璃纤维的结构 微晶结构假说： 玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子” 组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷 溶液所填充。 网络结构假说 玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或 硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络 间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填 充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定 玻璃性能的基础，填充的Na、Ca等阳离子称 为网络改性物。
• • • • • • •
玻璃绳 玻璃布 绝缘材料 玻璃纤维复合材料 玻璃棉 纤维内窥镜 光导纤维
• 用于内窥镜的照明、冷光传导 单丝直径35微米,通光口径1---30 mm,保护层为不锈钢金 属软管+硅胶管 • 透光率高，柔软性好
• 纤维光缆的结 构和单个的纤 维。注意光缆 的横切面至少 30％被低折射 指数的金属包 层和非传导性 填充材料所占 据。
无碱与中碱玻璃纤维性能对比
种类 无碱
耐酸 耐水 性 性 一般 好
机械 强度 高
防老 化性 较好
电绝 缘性 好
成本 浸润剂 适用条 件 较高 树脂易 强度高 渗透 的场合
中碱
好
差
较低
较差
低
低
树脂渗 强度低 透性差 的场合
中碱玻璃纤维耐酸性好 酸与玻璃纤维表面的金属氧化物作用，金属氧 化物(Na2O、K2O)离析、溶解；酸与玻璃纤维中硅 酸盐作用生成硅酸，硅酸迅速聚合并凝成胶体， 在玻璃表面形成一层极薄的氧化硅保护膜，实践 证明Na2O、K2O有利于这层保护膜的形成。 无碱玻璃纤维耐水性好 水与玻璃纤维作用，首先是侵蚀玻璃纤维表面 的碱金属氧化物，水呈现碱性，随着时间增加，玻 璃纤维与碱液继续作用，直至使二氧化硅骨架破坏。
这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。 一般以不同的含碱量来区分： 无碱玻璃纤维(通称E玻璃)： 国内目前规定碱金属氧化物含量不大于0.5％，国 外一般为1％左右； 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为11.5％－12.5％； 特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高强玻 璃纤维；镁铝硅系高强、高弹玻璃纤维；硅铝钙 镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维；含铅纤维；高硅 氧纤维；石英纤维等。
2. 力学性能 (1) 拉伸强度 玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高几十倍 例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：40MPa~100MPa 玻璃纤维强度：2000MPa
几种纤维材料和金属材料的强度
羊毛 亚麻 棉花 生丝 尼龙 纤维 直径 (μm) 拉伸 强度
(MPa)
高强合 铝合 玻璃 玻璃 金钢 金 纤维
(3) 以纤维外观分类
有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱 (用于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃 粉及磨细纤维等。 (4) 以纤维特性分类 以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃 纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐 碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维 (指无碱及中碱玻璃纤维)。
玻璃粉
④ 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低 环境湿度较高时，尤其明显 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使 微裂纹扩展速度加速。
(2)玻璃纤维的弹性 玻璃纤维的延伸率：纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率
玻璃纤维的弹性模量：在弹性范围内应力和应变关系的比例常数