玻璃纤维的制备及性能应用干货分享

　摘要玻璃纤维具有优异的性能并在多领域得到广泛应用，是一种可代替金属的无机非金属材料。因其良好的发展前景，各大玻璃纤维企业都着力于玻璃纤维的高性能化、工艺优化研究。本文综述了不同种类的玻璃纤维在不同领域的应用，根据不同添加成分对性能的影响、工艺特点及应用领域的不同对玻璃纤维进行分类介绍。

关键词：玻璃纤维；高性能；工艺优化；应用领域

中图分类号：TQ文献标识码：A文章编号：-（）03--03

玻璃纤维是一种可代替金属且性能优异的无机非金属材料，其制备是通过外力的作用把熔融状态的玻璃拉丝成纤维状，具有高强度、高模量和低延伸率的特点，优良的耐热性和压缩性，热膨胀系数大、高熔点，其软化温度可达~℃，化学稳定性好，不易燃烧，具备一定的耐腐蚀性等优良特性，在很多领域已广泛应用。本文根据玻璃纤维的不同应用要求，对玻璃纤维进行分类综述，并通过成分的对比，综述对玻璃纤维性能的影响。

一、玻璃纤维主要成分

制备玻璃纤维通常用玻璃球、玻璃棒或废旧玻璃为原料，经高温熔制条件下拉丝、络纱、织布等一系列工艺制备形成，试验熔制的玻璃球主要原料为工业级石英砂、氢氧化铝、碳酸镁、石灰石等，配以纯碱、硼酸、芒石、萤石等熔制而成。玻璃纤维的单丝直径10微米左右，相当于头发丝直径的1/10，每束纤维都是由千百跟单丝组成，根据玻璃纤维的用途各异，纤维的单丝直径有略微差距，拉丝工艺稍有不同。通常情况下，玻璃纤维中SiO2的含量占50%~65%。Al2O3含量超过20%的玻璃纤维拉伸强度相对较高，通常为高强度玻璃纤维，而无碱性玻璃纤维的Al2O3含量一般为15%左右。MgO的含量超过10%时，玻璃纤维的弹性模量较大。含有少量Fe3O4的玻璃纤维，其耐腐蚀性能均有不同程度的提高。绝大多数玻璃纤维析晶温度高、析晶速度快，从而带来拉丝困难，因此，在选择成分时会考虑尽可能低的析晶上限温度和析晶速度。增加碱金属含量时，拉丝温度、析晶温度会明显降低，给工艺操作带来很大便利，但玻璃纤维的弹性模量会随之降低，而玻璃纤维的组成元素中少去氟、硼可提高弹性模量，随之而来的拉丝温度、析晶温度却又增加很大，况且B2O3的原料价格昂贵，含有碱金属、氟、硼元素的玻璃纤维与世界主张的新型环保型材料大相径庭。

二、玻璃纤维的分类

2.1高强度玻璃纤维

高强度玻璃纤维其单丝抗拉强度达MPa，相比无碱性玻璃纤维的抗拉强度提高25%，弹性模量高达MP以上，相比无碱性玻璃纤维提高18%。已广泛应用于航空、航天、航海、兵器、核开发、工业装备等领域，例如运动机械、导弹发动机壳体、防弹头盔、防弹服，其高达90%以上的防弹效率得到军工部门的认可。在直升飞机机翼的应用中，不牺牲强度为代价的情况下减轻机身重量，提升飞机的结构效率及可靠性。生产高强度玻璃纤维的技术关键是玻璃的熔制和纤维成型，面对拉丝温度高、析晶温度高的困难，熔制过程中需要使用特殊的高耐火材料作为窑炉的内衬，例如铂、铑等贵金属材料。故此，拉丝工艺条件苛刻、工艺耗材高，直接导致生产成本高生产效率低，所以在民品应用领域还不能得到广泛推广。现阶段世界上具备高强度玻璃纤维生产技术的主要国家如下：美国的S系列玻璃纤维、法国的R玻璃纤维、日本的T玻璃纤维、俄罗斯的BMII玻璃纤维及中国的HS系列玻璃纤维。美国AGY公司设计的S-2玻璃纤维是最早的高强度玻璃纤维，年4月AGY公司宣布推出它的新S系列高强度玻璃纤维产品：工业级产品S-1玻璃纤维和特级产品S-3玻璃纤维，这些新产品与原有的S-2高性能级玻璃纤维共同组成S系列（S-SeriesTM）玻璃纤维。随后，20世纪50、60年代法国圣戈班（Saint-Gobain）公司设计R玻璃纤维；20世纪70、80年代日本日东纺织株式会社设计T玻璃纤维；俄罗斯的BMII玻璃纤维和中国南京玻璃纤维研究院开发的HS系列高强度玻璃纤维，我国在20世纪70年代开发出了HS2高强玻璃纤维，90年代又开发了HS4高强玻璃纤维，随后又推出了NewHS高强度玻璃纤维，其力学性能、耐温性能和耐酸性能皆高于现有HS2玻璃纤维和HS4玻璃纤维，也高于AdvantexTM、Hiper-tex玻璃纤维，高强度性能接近美国S-2玻璃纤维，但生产工艺优于美国S-2玻璃纤维，其基本组成除玻璃纤维主要的Si-Al-Mg三元素体系及少于0.5%的Fe2O3，还创新性的添加质量分数为0.5%～1.5%的CeO2、小于0.5%的Li2O、小于1.5%的Bi2O3和小于1.5%的WO3。

表1

各国玻璃纤维的力学性能

项目

抗拉强

弹性模

拉丝成型

析晶

度/MPa

量/GPa

温度/℃

温度/℃

美国S-2

87

法国

86

日本

86

俄罗斯

~

95

~

~

HS2

83

HS4

86

NEWHS

-

87

由于高强度玻璃纤维具有强度高、模量高的特点，广泛用作复合材料的增强剂，在拉伸强度、弹性模量、刚度、尺寸稳定性、挠曲疲劳和热载荷等方面对复合材料都有显著提高，在高温条件下的力学性能也明显优化。例如应用于直升机桨叶的主轴力承重件时，主轴零件要承受很大的离心力和弯矩，要求抗冲击性能很强，以提供桨叶的抗拉刚度和摆振刚度，采用碳纤维与玻璃纤维增强复合材料的混合铺层，制备的复合材料强度高，抗弯、抗扭能力强。例如高强度玻璃纤维与阻燃环氧、酚醛制成的复合材料，具有高比强度和比刚度的特点，阻燃和低烟雾的优势明显，不仅成功为飞机结构减重，提高了飞机的防火安全性能，还可用于大型客机舱内的内饰，天花板、地板等多重装饰材料中。

随着复合材料向高性能与多功能化、制造技术先进化、低成本化及应用扩大化的不断发展，对玻璃纤维增强基材性价比提出更高要求，近年来不同牌号的高性能玻璃纤维不断推出，促进了复合材料在新能源、交通、建筑、化工等领域推广应用，我国商业化产品是高模量玻璃纤维，且具有良好的电绝缘性能，已应用在航空、体育器材、高压电器等模量要求高的复合材料中。例如HME玻璃纤维是一种高模量无碱玻璃纤维，具有较低的析晶温度，其熔制工艺性和拉丝工艺性良好，拉丝稳定性良好，成本低且具有一定的耐酸性，在风电叶片的研制中发挥广阔的空间，适应并能够满足工业化生产要求。例如年重庆复合材料有限公司设计TM-GLASS玻璃纤维，可以用于风能发电叶片、高压玻璃钢管道、高性能玻璃钢拉挤型材料、军用和民用防弹和防爆复合材料、航空材料、压缩天然气用的储罐、高性能体育和娱乐用复合材料等领域。国际上高性能玻璃纤维正进一步向规模化技术化发展，许多研究成果都侧重于提高特种玻璃纤维生产工艺性能，同时降低能耗、减少污染。随着成本的降低，高性能玻璃纤维的应用领域也在不断扩大。

表2新型高强度玻璃纤维的力学性能

项目

抗拉强

弹性

拉丝成型

析晶

度/MPa

模量/GPa

温度/℃

温度/℃

HME

~

87~93

~

~

TM-GLASS

84~86

~

~

2.2无碱性玻璃纤维

无碱玻璃纤维也称E玻璃纤维，是一种硼硅酸盐玻璃，其碱性氧化物含量仅为0.38%以下。具有良好的电气绝缘性及机械性能，在电绝缘及玻璃钢中的应用极为广泛，对弱酸、弱碱和水均具有一定的耐腐蚀性，但无碱玻璃纤维易被无机酸侵蚀，不适合在强酸性环境中应用。虽然E玻璃纤维的碱金属含量不高，但由于含有一定量B和F，其拉丝成型温度和析晶温度均较低，分别为℃和℃，对工艺条件要求宽松。无碱性玻璃纤维是目前最大的增强基材，其单纤维直径小于等于9纳米，制成的复合材料除了具有良好的耐腐蚀性和电绝缘性能之外，还具备优良的抗层间剪切撕裂性能。例如ER玻璃纤维被大量应用与玻璃钢中，增强后的复合材料电绝缘性和机械性能明显提升，其抗拉强度为MPa[3]。

环境友好的无硼无碱玻璃纤维E-CR是一种改进的新品，由于含B2O3的原料价格昂贵，去掉后既实现玻璃纤维的生产成本低，同时也减少环境污染，符合国际上玻璃纤维的规模化未来发展模式，例如年美国欧文斯科宁（OC）公司推出的AdvantexTM玻璃纤维及其他的ECT和E6等。其优良的耐酸耐水性是无碱性玻璃纤维的7~8倍，耐酸性比中碱玻璃玻纤也优越不少，现阶段主要应用与地下化工管道、天然气瓶、高压贮罐等领域。近几年，我国玻璃纤维企业根据风电叶片复合材料设计需求也在不断的开发新型玻璃纤维，设计思路是在无硼无氟无碱玻璃纤维成分的基础上，提高玻璃纤维的主含量以获得模量更高的玻璃纤维，或为了改善工艺，在提高主含量的基础上，引入少量R2O等。例如年泰山玻璃纤维公司设计的GMG玻璃纤维，相比E玻璃纤维，其拉伸强度提高10%，弹性模量提高15%，耐化学性能提高50%，其弹性模量相比AdvantexTM也有提升。

表3

无碱性玻璃纤维的组成成分

项目

传统E

ER

AdvantexTM

GMG

Hiper-tex

Vipro

SiO2,%

55~55

53~58

59~62

57~62.5

61

57~65

Al2O3,%10~15

10~15

12~15

14.5~19.9

19

14~20

MgO,%

1~4

7~10

10

7~12

GaO,%

20~25

20~24

12~14.5

9

8~13

Fe2O3,%0.1~0.5

微量

＜3.5

＜1

0.4

0.05~1

B2O3,%5~10

5~8

＜2

RO,%

20~25

R2O,%

0.5~1

＜2.5

0.25

0.05~2

TiO2,%

＜1

微量

F2,%

0.6~1

微量

表4

无碱性玻璃纤维的力学性能

项目

抗拉强

弹性模

拉丝成型

析晶

度/MPa

量/GPa

温度/℃

温度/℃

传统E

72

ER

AdvantexTM

81

GMG

~

81~84

~

~

Hiper-tex

85

Vipro

~

79

~

~

随着新能源及环保产业的迅速发展，风电叶片、防腐管道等复合材料对纤维力学及耐腐蚀性能要求不断提高，各大玻璃纤维企业着力于开发具有耐腐蚀性的高机械强度的玻璃纤维，例如年美国欧文斯科宁公司设计Hiper-tex无碱高力学性能的玻璃纤维，与传统E玻璃纤维相比，其强度提高30%，模量提高17%，线性热膨胀系数降低30%，抗疲劳性提高近10倍，抗冲击性、耐热性、耐腐蚀性也都大幅优化。例如年巨石集团和美国Gibson玻纤公司共同设计Vipro玻璃纤维，应用于要求高强度、高耐蚀性能的复合材料中，如大功率风能叶片、高压管道、抽油杆、石油和化工设备等。

低介电玻璃纤维（D玻璃纤维）中氧化硼的含量相对较高，具有密度低、介电常数及介电损耗低、介电性能受环境温度和频率等外界影响因素小等特点。20世纪60年代末，为了军事的需要，美国首先成功研制了低介电玻璃纤维。到20世纪80年代末，欧美等国家把低介电玻璃纤维应用于高性能飞机雷达、飞机电磁窗、隐身及印刷线路板等领域，作为飞机雷达罩的增强基材，具有轻质、宽频带、高透波等特性，是一种理想的高性能飞机雷达罩的增强基材。随着电子通讯和信息产业向高频、大容量、小型化方向发展，对印刷线路板基材的玻璃纤维介电性能提出了更高的要求，从而促进低介电玻璃纤维的规模化、高能化发展。

耐碱玻璃纤维（AR玻璃纤维）在建筑行业中广泛应用，是百分百的无机纤维，用来增强混凝土的肋筋材料。混凝土是一种脆性的材料，加入耐碱性玻璃纤维可以提高其力学性能，在非承重的水泥构件中可以替代石棉和钢材。凭借其耐碱性强、抗腐蚀、抗冲击、抗拉抗弯、抗冻抗裂等，可设计性强、易成型的诸多优点，耐碱玻璃纤维已经成为一种新型的绿色环保型增强材料，使混凝土长期保持强度和韧性，结构及效果安全可靠。在道路建设和交通运输领域日趋成为一项全新的技术项目，能有效的提高施工效率，延长道路的保养维护时间[4]。

三、玻璃纤维的展望

综上所述，玻璃纤维具有广阔的应用领域及市场前景。我国玻璃纤维产量虽高，但高端产品难以大规模生产是现今面对的棘手问题。如果我国企业能够创新突破，将为玻璃纤维发展带来巨大贡献。

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