玻璃纖維的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

韋 鑫，沈蘭萍

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

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玻璃纖維的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

韋 鑫，沈蘭萍

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

玻璃纖維是一種具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能的高性能纖維，在社會生活中的各個行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。介紹了玻璃纖維的生產(chǎn)工藝、分類、性能、應(yīng)用領(lǐng)域、國內(nèi)外生產(chǎn)概況及發(fā)展趨勢。

高性能纖維 應(yīng)用領(lǐng)域 生產(chǎn)概況 發(fā)展趨勢

0 引言

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，以葉蠟石、石英砂、石灰石等天然無機(jī)非金屬礦石為原料，按一定的配方經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗等數(shù)道工藝秘制而成，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、隔熱、吸音、電絕緣性能好等優(yōu)異性能，通常作為增強(qiáng)材料，并以復(fù)合材料的形式應(yīng)用于各個行業(yè)。

1 玻璃纖維的生產(chǎn)工藝

玻璃纖維的生產(chǎn)技術(shù)可分為兩種：一種為坩堝法(也稱為球法或者二步法)，另一種為池窯法(也稱為一步法)。坩堝法是將玻璃等原料融化后制成玻璃球，再將玻璃球加入坩堝內(nèi)二次熔融，之后拉制成玻璃纖維絲。這種方法工序繁雜，需要經(jīng)過二次熔融，浪費能源，其生產(chǎn)產(chǎn)能逐漸降低，但是其產(chǎn)品方案調(diào)節(jié)靈活、投資小、技術(shù)要求不高，較適用于中小企業(yè)。池窯法是指將玻璃配合料熔融后直接拉制成玻璃纖維絲。隨著池窯法的發(fā)展，我國使用坩鍋法生產(chǎn)玻璃纖維的比例正逐漸降低[1]。

2 玻璃纖維的分類

玻璃纖維按照原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進(jìn)行分類。

2.1 按照原料成分分類

堿金屬氧化物是普通玻璃的主要組成成分，因此將它作為主要的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，由此，玻璃纖維根據(jù)原料成分中堿含量的不同可以分為：

無堿纖維(也稱“E玻璃”)，其氧化物含量小于0.8%，是一種鋁硼硅酸鹽成分；

中堿纖維，其氧化物含量為11.9%-16.4%，是一種鈉鈣硅酸鹽成分，因其含堿量高，不能作電絕緣材料，但其化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度尚好；

高堿纖維，其氧化物含量等于或大于15%的玻璃成分；

特種玻璃纖維，如由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維，鎂鋁硅系高強(qiáng)高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)腐蝕玻璃纖維；含鋁纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。

2.2 按照單絲直徑分類

玻璃纖維單絲截面呈圓形，其直徑就代表粗細(xì)，根據(jù)直徑的范圍可以分為以下幾類：

粗纖維：其單絲直徑一般為30um；

初級纖維：其單絲直徑大于20um；

中級纖維：單絲直徑10um-20um；

高級纖維：(亦稱紡織纖維)其單絲直徑3um-10um；

超細(xì)纖維：單絲直徑小于4um。

2.3 按照纖維外觀分類

根據(jù)纖維外觀進(jìn)行的分類即根據(jù)纖維的長度和形態(tài)進(jìn)行分類，可以分為以下幾類：

連續(xù)纖維：又稱為紡織纖維，它是無限延續(xù)的纖維，主要由漏板法拉制而成，可用于制作線、繩、布、帶等制品；

定長纖維：長度在300mm～500mm，一般做成毛紗或者氈片使用，纖維在氈片中雜亂排列；

玻璃棉：又稱短棉，纖維長度較短，一般在150mm以下，主要用作吸聲、保溫材料。

2.4 按照纖維特性分類

根據(jù)實際應(yīng)用中的不同要求，生產(chǎn)纖維時需考慮不同的性能要求，因此可以將玻璃纖維分為：高強(qiáng)玻璃纖維，高模量玻璃纖維，耐高溫玻璃纖維，耐堿玻璃纖維，耐酸玻璃纖維，普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維)，光學(xué)纖維，低介電常數(shù)玻璃纖維；導(dǎo)電纖維等。

3 玻璃纖維的性能

3.1 玻璃纖維的物理性能

3.1.1 密度

玻璃纖維密度一般高于有機(jī)纖維，但低于金屬纖維，其無堿玻璃纖維一般大于有堿玻璃纖維的密度[2]。由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，并且和鋁的密度相近，因此近年來，在航空航天領(lǐng)域逐漸用玻璃鋼來代替鋁鈦合金制品。

3.1.2 斷裂強(qiáng)度

玻璃纖維的斷裂強(qiáng)度為1370～1470N，比相同質(zhì)量鋼絲的斷裂強(qiáng)度高2～4倍。

3.1.3 尺寸穩(wěn)定性

玻璃纖維在拉伸過程中，其應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，中間沒有屈服點，直至斷裂，其最大的伸長率為3%，去掉負(fù)荷之后恢復(fù)到原長，因此其尺寸穩(wěn)定性非常好。

3.1.4 耐磨性和耐折性

耐磨性是指抗摩擦的能力，耐折性是指抗折斷的能力，玻璃纖維的這兩種性能都很差。

3.1.5 電性能

玻璃纖維的介電系數(shù)較低，耐熱性良好，吸濕性小，并且不燃燒，無堿玻璃纖維制品在電氣、電機(jī)工業(yè)中有廣泛而有效的應(yīng)用。

3.1.6 熱性能

玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為：0.035W(m.K)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。玻璃纖維制品中玻璃棉制品由于其密度小，壽命長和耐高溫，被廣泛應(yīng)用于建筑和工業(yè)的保溫、隔熱和隔冷，是一種優(yōu)良的熱絕緣材料[3]。

3.2 玻璃纖維的化學(xué)性能

玻璃纖維屬于無機(jī)纖維，其耐酸耐堿性良好，此外其抗老化、防霉、抗紫外線性能良好[4]。

4 玻璃纖維的應(yīng)用

在國外，玻璃纖維產(chǎn)品通過用途可以分為兩類：紡織制品和增強(qiáng)制品。其中，紡織制品包括：電子紗與電子布、工業(yè)用紗(傳統(tǒng)工業(yè)用紗和新型工業(yè)用紗)、工業(yè)用布；增強(qiáng)制品包括：增強(qiáng)熱固性塑料(增強(qiáng)用紗、增強(qiáng)用氈和增強(qiáng)用布)、增強(qiáng)熱塑性塑料、增強(qiáng)水泥及石膏、增強(qiáng)橡膠等。在國內(nèi)，玻璃纖維的應(yīng)用領(lǐng)域可以分為以下幾個方面：

4.1 電子電器領(lǐng)域

近年來國家對電子行業(yè)大力扶持，電子工業(yè)和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，印制電路板工業(yè)得到了極大地刺激，而無堿玻璃纖維由于其優(yōu)異的電絕緣性，帶動了其電子級玻璃纖維布產(chǎn)品的發(fā)展。

4.2 汽車工業(yè)領(lǐng)域

在汽車行業(yè)，市場逐漸向輕量、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展，這就對汽車材料提出了更高的要求，復(fù)合材料的優(yōu)勢也逐漸得到了體現(xiàn)，汽車行業(yè)對玻璃纖維復(fù)合材料的需求也正在逐漸加大。各個玻璃纖維生產(chǎn)廠家也在不斷的推出各種玻璃纖維產(chǎn)品。目前，汽車上應(yīng)用的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括:玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料、片狀模塑材料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性材料(GMT)以及手糊FRP制品[5]。

4.3 航空航天領(lǐng)域

在航空航天工業(yè)，玻璃纖維復(fù)合材料的應(yīng)用更為廣泛。在航空領(lǐng)域，無論是民用還是軍用飛機(jī)，都有玻璃纖維復(fù)合材料的使用，如在飛機(jī)的內(nèi)外側(cè)副翼、方向舵和擾流板等地方，波音公司制作的X-37航天飛機(jī)機(jī)翼也采用了玻璃纖維復(fù)合材料。在航天領(lǐng)域，火箭和航天器上的主承力構(gòu)件大部分都是玻璃纖維復(fù)合材料制作的，“海神”等導(dǎo)彈的發(fā)動機(jī)殼體采用玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料制作[6]。

4.4 風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域

在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，由于風(fēng)電葉片逐漸朝大型、輕量化方向發(fā)展，因此輕質(zhì)高強(qiáng)、耐蝕性好、具有可設(shè)計性的復(fù)合材料是目前大型風(fēng)機(jī)葉片的首選材料。而玻璃纖維復(fù)合材料由于優(yōu)于其他高性能材料而在風(fēng)電葉片上得到了大量使用[7]。

4.5 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

玻璃纖維復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)方向也受到了很大的關(guān)注。被用于生物醫(yī)學(xué)方面的有：骨外科固定器材(例如：夾板、繃帶、矯形支具等)、牙科器材(玻璃纖維根管樁由于其優(yōu)良的生物相容性、與牙本質(zhì)相近的彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度高，因此受到了牙科器材的歡迎)、醫(yī)用光導(dǎo)纖維(內(nèi)窺鏡、醫(yī)用光纖傳感器、全自動生化分析儀、光學(xué)相干斷層掃描技術(shù))、濾材(血液過濾器、醫(yī)療用過濾器、呼吸過濾器等[8])、治療類(光纖激光美容術(shù)、光纖用于眼科手術(shù)、碎石激光)、醫(yī)學(xué)照明、急救器材(止血繃帶)、介入醫(yī)療用導(dǎo)絲、大型醫(yī)療器械外殼(CT外殼、GXR外殼、MRI外殼、PET-CT外殼等)、骨移植物(骨內(nèi)固定復(fù)合材料、骨缺損修復(fù)復(fù)合材料、骨組織工程支架復(fù)合材料、藥物緩釋載體)[9]等。

5 國內(nèi)外生產(chǎn)概況

5.1 國內(nèi)生產(chǎn)概況

我國玻璃纖維工業(yè)興起于1958年，在改革開放之前，主要用于國防軍工；改革開放后轉(zhuǎn)向民用，并獲得迅速發(fā)展。1997年，玻璃纖維總產(chǎn)量為17萬噸。經(jīng)過一段時間的飛速發(fā)展，到2002年，玻璃纖維總產(chǎn)量為35.5萬噸，其中，纖維增強(qiáng)熱塑性塑料總產(chǎn)量為17萬噸[10]。2003年，國內(nèi)玻璃纖維生產(chǎn)總量為47.3萬噸，其中紡織玻璃纖維產(chǎn)量為15萬噸，增強(qiáng)玻璃纖維產(chǎn)量為27.8萬噸[11]。2004年，我國玻纖總產(chǎn)量達(dá)到65.25萬噸，其中池窯法產(chǎn)量達(dá)到41.2萬噸。2005年，我國玻纖行業(yè)總產(chǎn)量進(jìn)一步提高到95萬噸，其中池窯法拉絲產(chǎn)量達(dá)到了66萬噸。截至2006年10月底，全國玻璃纖維的總產(chǎn)量達(dá)99.46萬噸[12]。2007年，我國的玻璃纖維產(chǎn)量達(dá)到160萬噸，位列世界第一。2010年，我國玻璃纖維紗總產(chǎn)量為255.6萬噸；2011年我國玻璃纖維產(chǎn)量超過了275萬噸[13]。為279.5萬噸；2012年為288.0萬噸；2013年為285.0萬噸；2014年為308萬噸；2015年為323萬噸；預(yù)計到2020年，我國玻璃纖維產(chǎn)量將達(dá)到400萬噸。

2010年到2015年期間，我國玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料的發(fā)展速度逐漸超過了增強(qiáng)熱固性材料，但產(chǎn)量還未超過增強(qiáng)熱固性材料；在一些發(fā)達(dá)國家，玻纖增強(qiáng)熱塑性材料的產(chǎn)量已超過增強(qiáng)熱固性材料[14]。

5.2 國外生產(chǎn)概況

1938年，玻璃纖維誕生于美國。最早運用在軍事上，用于坦克部件、飛機(jī)機(jī)艙、武器外殼、防彈衣等。后來被應(yīng)用于民用，在建筑和復(fù)合材料兩大領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過70多年的發(fā)展，國外玻璃纖維行業(yè)發(fā)展到3000多個品種，50000多個規(guī)格，每種規(guī)格都有相應(yīng)的用途。在國外，玻璃纖維一般以玻璃纖維增強(qiáng)制品的形式受到廣泛應(yīng)用，在玻璃纖維紡織制品方面應(yīng)用較少。

2003年，玻璃纖維全球總產(chǎn)量達(dá)到250萬噸[11]。其中，增強(qiáng)熱固性塑料產(chǎn)量為100萬噸，增強(qiáng)熱塑性塑料產(chǎn)量為70萬噸。2006年，全球玻璃纖維總產(chǎn)量達(dá)到了329萬噸，其中，增強(qiáng)熱固性塑料產(chǎn)量為128萬噸，增強(qiáng)熱塑性塑料產(chǎn)量為89.6萬噸[15]。2010年，世界玻璃纖維總產(chǎn)量為472萬噸；2011年，國際玻璃纖維總產(chǎn)量為488萬噸；2012年，總產(chǎn)量達(dá)到了530萬噸，2013年為520萬噸，2014年為550萬噸，2015年為570萬噸[14]。整體上，玻璃纖維產(chǎn)量呈現(xiàn)增長的趨勢，這說明了玻璃纖維因為其優(yōu)異的性能受到了生產(chǎn)廠家的廣泛應(yīng)用，并且在未來的發(fā)展中也呈現(xiàn)積極上升的趨勢。

6 玻璃纖維的發(fā)展趨勢

我國玻璃纖維的發(fā)展呈現(xiàn)以下三種發(fā)展趨勢：

(1)產(chǎn)品綜合性能要求變強(qiáng)。隨著各個行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對高性能材料的性能要求也越來越多，這就要求材料性能的多層次、綜合性強(qiáng)，因此玻璃纖維的發(fā)展也在朝著這個方向發(fā)展[16]。

(2)產(chǎn)品的“差異化”發(fā)展。各個行業(yè)都是在不斷日新月異的變化中的，材料的功能也在不斷接受著新的挑戰(zhàn)，對產(chǎn)品的功能要求也不一樣，因此，玻璃纖維的功能差異化是必然的發(fā)展趨勢。

(3)注重功能性玻璃纖維的開發(fā)。隨著玻璃纖維產(chǎn)品的不斷豐富，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在各個行業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用，對玻璃纖維產(chǎn)品的功能性要求也越來越高，因此，重視功能性玻璃纖維的開發(fā)將成為不可抵擋的發(fā)展趨勢[17]。

玻璃纖維具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，其復(fù)合材料的性能優(yōu)于眾多傳統(tǒng)材料，因此廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。玻璃纖維作為一種高性能材料將會有更大的發(fā)展空間，并且對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級有著重要意義。

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2016-08-30

韋鑫(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計。

沈蘭萍(1958-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0178-04