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玻璃纤维行业基本概念

2013-7-12

玻璃纤维成份和性能

 生产玻璃纤维的基本原料是:石英砂、腊石、石灰石、白云石,为了熔化以上物质,还要加入硼酸和萤石作助熔剂。玻璃纤维按所含Na2O成分的多少分三类:无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维。无碱玻璃纤维中含有SiO2 55~57%,Al2O3 10~17%,CaO 12~25%,MgO 0~8%,B2O3 8.5%,Na2O 0.5%。中碱玻璃纤维Na2O含量为12%,高碱玻璃纤维Na2O含量为15%,其它成分一样,含量稍微变动。从性能上看,无碱、中碱、高碱玻璃纤维其强度依次降低、耐久性依次变差、绝缘性依次减弱,只是耐酸性依次增强。无碱玻璃纤维多用于增强和绝缘材料,高碱玻璃纤维多用于稀酸环境,如蓄电池隔板、电镀槽、酸贮罐、酸过滤材料等,中碱玻璃纤维因价格优势在中国得到普遍使用。玻璃纤维与金属相比具有高强度、耐腐蚀、透光性和绝缘性好等特点。

玻璃纤维生产工艺

 生产玻璃纤维常用的方法有两种:池窑法直接拉丝、球法坩锅拉丝。池窑法直接拉丝是将矿物原料磨细配制送入单元窑,用重油燃烧加热熔化物料后直接拉丝,具有产量大、质量稳、能耗低的特点,球法坩锅拉丝是从市场上购进玻璃球然后再通过电加热熔化拉丝,所用坩锅有陶土坩锅、全铂坩锅、代铂坩锅之分,前者只能用平板碎玻璃生产高碱玻璃纤维,全铂坩锅能耐高温且能制出干净纯净玻璃纤维,但单炉需铂铑合金3~4公斤,造价昂贵,现在主要用代铂坩锅,即熔化部分为耐高温陶土材料,拉丝漏板用铂銠合金材料,单炉用贵金属0.6 公斤既可,节省造价,但质量不如全铂坩锅,适合我国。球法坩锅拉丝所用漏板为50~800孔,单丝直径在9微米以下,一般需经过加捻纺织后制成各种玻璃纤维制品,此法能耗大、质量不稳定,但非常灵活,可补充池窑拉丝的一切空白。池窑拉丝用漏板为800~4000孔,单丝直径在11微米以上。

单丝用浸润剂涂油保护后集束成原丝,如果用于增强塑料则必需涂覆偶联剂。浸润剂的作用是:A浸润保护作用B粘结集束作用C防止玻璃纤维表面静电荷的积累D为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性E使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性,五种性能使下游复合材料是有理想的物理、力学、化学、电学以及耐老化等应用性能。偶联剂是让无机玻璃材料与有机树酯材料很好地结合在一起,它们决定着玻璃纤维的技术含量和使用方向。玻璃纤维浸润剂分为增强型浸润剂、纺织型浸润剂和增强型浸润剂三大类。其配方根据下游要求各不相同。

玻璃纤维制品

 玻璃纤维制品可分为无纺制品和织纺制品两大类,前者包括无捻直接粗纱和各种玻璃纤维毡如原丝短切毡、连续毡、针刺毡、复合毡等,后者可通过机织、编织、针织、缝编等手段制成各种用途的玻璃纤维材料:原丝退解成无捻纱,加捻成单股纱,再合股成纱线,继续合股可制成缆线或绳索,变形加工可制成膨体纱,以上纱、线、绳即可单独应用又可借助纺织技术做成各种片状或立体织物,以满足多种场合下的工业需要。纺织制品品种多,附加值高,但用量少,只占玻纤制品总量的20%左右,其中又以方格布为主,占三分之二。

单根丝用直径(微米)量化,纱和线用线密度tex(一公里的克重)量化,片状物用“克/平方米”和厚度(毫米×1000)量化。

 

玻璃纤维的增强性能

 复合材料由三部分组成:增强相、基体相、界面相。基体相是一种连续相材料,它把改善材料性能的增强材料固化结成一体,并起到传递应力的作用,主要包括树脂、金属、陶瓷、水泥等几大类。增强相起承受应力负荷和显示功能的作用,主要包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、钢丝等。界面相决定着增强相和基体相的结合力,是复合材料设计的重要技术因素和功能实现因素。

玻璃钢是最常见也是用量最大的一种复合材料,国外称玻璃纤维增强塑料,其基体相是高分子树脂,如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂等;增强相是各种质地和型号的玻璃纤维制品,如玻璃纤维方格布、短切毡、连续毡、缠绕纱等。界面相通过浸润剂、偶联剂及各种助剂实现,如石蜡、淀粉等保护剂、硅烷类偶联剂等。

纤维玻璃纤维增强塑料(FRP)的生产成本=原料成本+复合成本。其中原料成本,由于石化工业的发达使合成树脂成本在不断下降和玻璃纤维池窑拉丝的发展使玻璃纤维成本也在不断下降,但是,由于技术原因使得复合成本高于原料成本,造成复合材料生产成本过高。玻璃纤维增强塑料可靠性较差也是由于复合技术原因造成的,主要表现在玻璃纤维与合成树脂分布不均匀,合成树脂含量很难准确控制,复合界面不良,力学结构不佳,所以亟需技术创新加以突破。纵观复合材料发展50余年历史,始终沿着后期复合道路发展,未有突破,要想使复合材料产生质的飞跃,必须突破常规复合机理,采用高新技术在玻璃纤维新生态下进行早期复合,这就是中国人发明的“玻璃纤维复塑丝及玻璃纤维复塑异型材”所倡导的复合材料发展新理念。在玻璃纤维熔化拉丝过程,利用玻璃纤维的余热和表面的活性,将合成树脂复合在新生的玻璃纤维表面上,形成玻璃纤维复合塑丝,达到单纤维精密复合,采用一步生产法制成无机材料与有机材料的复合纤维,实行高速拉丝自动复塑。它将常规的冗长复合工序提前合并在拉丝过程中瞬时完成,由于复合与拉丝同期合并进行,所以成为零工时复合。由于复合工时为零,所以复合劳动成本等于零,则使得复合材料成本接近或等于原料成本,所以称为低成本新技术。由于实行单纤维精密复合,使得复合材料的界面积为最大——等于所有玻璃纤维表面积之和,所以结合力也最大。消除复合材料内部缺陷,所以提高了复合材料质量和可靠性。

我们知道,常用E级玻璃纤维的工作态抗拉强度为1200Mpa,碳纤维T300的抗拉强度为3500Mpa,因此玻璃纤维只能做普通复合材料使用,而高强度的先进复合材料必须使用碳纤维做增强材料,但是碳纤维价格昂贵,例如T300 720元/kg,如此昂贵的价格阻碍了先进复合材料普及应用。过去人们曾设想,通过改进成份来提高玻璃纤维的强度,但是效果不大,例如S级玻璃纤维只比E级玻璃纤维强度提高30%,但是成本增加4倍。再想提高玻璃纤维的强度,被认为是不可能的事。但是,深入研究不难发现,玻璃纤维酝藏着一个非常重要的未被利用的特性,那就是玻璃纤维新生态的强度非常高,高于碳纤维:例如:E级玻璃纤维新生态强度为3700Mpa,它比碳纤维T300的强度3500Mpa高出200Mpa。由于玻璃纤维对环境水份非常敏感,抗蚀能力较低,经过水冷却和浸润剂处理后,强度大幅下降,再有玻璃纤维表面无保护,因互相摩擦损失,也使强度下降约30%,所以到了玻璃纤维工作状态时,强度下降12OOMpa,损失了25OOMpa。采用什么样的技术手段保护玻璃纤维由新生态到工作态强度不下降或少下降?这正是玻璃纤维新生态早期复合技术的有用之处。

玻璃钢力学性能的简要分析 玻璃纤维简介

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