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1 纖維玻璃 -纖維玻璃


  玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料。英文原名為:glassfiber。成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝。最後形成各類產品,玻璃纖維單絲的直徑從幾個微米到二十幾米個微米,相當於一根頭髮絲的1/20-1/5,每束纖維原絲都有數百根甚至上千根單絲組成,通常作為復材料中的增強材料,電絕緣材料和絕熱保溫材料,電路基板等,廣泛應用於國民經濟各個領域。
  玻璃纖維之特性:
  玻璃一般人之觀念為質硬易碎物體,並不適於作為結構用材但如其抽成絲后,則其強度大為增加且具有柔軟性,故配合樹脂賦予形狀以後終於可以成為優良之結構用材。玻璃纖維隨其直徑變小其強度增高。作為補強材玻璃纖維具有以下之特點,這些特點使玻璃纖維之使用遠較其他種類纖維來得廣泛,發展速度亦遙遙領先其特性列舉如下:
  (1)拉伸強度高,伸長小(3%)。
  (2)彈性係數高,剛性佳。
  (3)彈性限度內伸長量大且拉伸強度高,故吸收衝擊能量大。
  (4)為無機纖維,具不燃性,耐化學性佳。
  (5)吸水性小。
  (6)尺度安定性,耐熱性均佳。
  (7)加工性佳,可作成股、束、氈、織布等不同形態之產品。
  (8)透明可透過光線.
  (9)與樹脂接著性良好之表面處理劑之開發完成。
  (10)價格便宜。
  玻璃纖維的分類:
  玻璃纖維按形態和長度,可分為連續纖維、定長纖維和玻璃棉;按玻璃成分,可分為無鹼、耐化學、高鹼、中鹼、高強度、高彈性模量和抗鹼玻璃纖維等。
  生產玻璃纖維的主要原料是:石英砂、氧化鋁和葉蠟石、石灰石、白雲石、硼酸、純鹼、芒硝、螢石等。生產方法大致分兩類:一類是將熔融玻璃直接製成纖維;一類是將熔融玻璃先製成直徑20mm的玻璃球或棒,再以多種方式加熱重熔后製成直徑為3~80μm的甚細纖維。通過鉑合金板以機械拉絲方法拉制的無限長的纖維,稱為連續玻璃纖維,通稱長纖維。通過輥筒或氣流製成的非連續纖維,稱為定長玻璃纖維,通稱短纖維。借離心力或高速氣流製成的細、短、絮狀纖維,稱為玻璃棉。玻璃纖維經加工,可製成多種形態的製品,如紗、無捻粗紗、短切原絲、布、帶、氈、板、管等。
  玻璃纖維按組成、性質和用途,分為不同的級別。按標準級規定(見表),E級玻璃纖維使用最普遍,廣泛用於電絕緣材料;S級為特殊纖維,雖然產量小,但很重要,因具有超強度,主要用于軍事防禦,如防彈箱等;C級比E級更具耐化學性,用於電池隔離板、化學濾毒器;A級為鹼性玻璃纖維,用於生產增強材料。
  玻璃纖維-主要成分 其主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等,根據玻璃中鹼含量的多少,可分為無鹼玻璃纖維(氧化鈉0%~2%,屬鋁硼硅酸鹽玻璃)、中鹼玻璃纖維(氧化鈉8%~12%,屬含硼或不含硼的鈉鈣硅酸鹽玻璃)和高鹼玻璃纖維(氧化鈉13%以上,屬鈉鈣硅酸鹽玻璃)。
  編輯本段回目錄玻璃纖維-特性,原料及其應用玻璃纖維比有機纖維耐溫高,不燃,抗腐,隔熱、隔音性好(特別是玻璃棉),抗拉強度高,電絕緣性好(如無鹼玻璃纖維)。但性脆,耐磨性較差。玻璃纖維主要用作電絕緣材料,工業過濾材料,防腐、防潮、隔熱、隔音、減震材料。還可作為增強材料,用來製造增強塑料(見彩圖)或增強橡膠、增強石膏和增強水泥等製品。用有機材料被覆玻璃纖維可提高其柔韌性,用以製成包裝布、窗紗、貼牆布、覆蓋布、防護服和絕電、隔音材料。
  生產玻璃纖維的主要原料是:石英砂、氧化鋁和葉蠟石、石灰石、白雲石、硼酸、純鹼、芒硝、螢石等。生產方法大致分兩類:一類是將熔融玻璃直接製成纖維;一類是將熔融玻璃先製成直徑20mm的玻璃球或棒,再以多種方式加熱重熔后製成直徑為3~80μm的甚細纖維。通過鉑合金板以機械拉絲方法拉制的無限長的纖維,稱為連續玻璃纖維,通稱長纖維。通過輥筒或氣流製成的非連續纖維,稱為定長玻璃纖維,通稱短纖維。借離心力或高速氣流製成的細、短、絮狀纖維,稱為玻璃棉。玻璃纖維經加工,可製成多種形態的製品,如紗、無捻粗紗、短切原絲、布、帶、氈、板、管等。
  玻璃纖維按組成、性質和用途,分為不同的級別。按標準級規定(見表),E級玻璃纖維使用最普遍,廣泛用於電絕緣材料;S級為特殊纖維,雖然產量小,但很重要,因具有超強度,主要用于軍事防禦,如防彈箱等;C級比E級更具耐化學性,用於電池隔離板、化學濾毒器;A級為鹼性玻璃纖維,用於生產增強材料。
  玻璃纖維的成分及性能
  生產玻璃纖維用的玻璃不同於其它玻璃製品的玻璃。目前國際上已經商品化的纖維用的玻璃成分如下:
  1、E-玻璃亦稱無鹼玻璃,是一種硼硅酸鹽玻璃。目前是應用最廣泛的一種玻璃纖維用玻璃成分,具有良好的電氣絕緣性及機械性能,廣泛用於生產電絕緣用玻璃纖維,也大量用於生產玻璃鋼用玻璃纖維,它的缺點是易被無機酸侵蝕,故不適於用在酸性環境。
  2、C-玻璃亦稱中鹼玻璃,其特點是耐化學性特別是耐酸性優於無鹼玻璃,但電氣性能差,機械強度低於無鹼玻璃纖維10%~20%,通常國外的中鹼玻璃纖維含一定數量的三氧化二硼,而中國的中鹼玻璃纖維則完全不含硼。在國外,中鹼玻璃纖維只是用於生產耐腐蝕的玻璃纖維產品,如用於生產玻璃纖維表面氈等,也用於增強瀝青屋面材料,但在中國中鹼玻璃纖維佔據玻璃纖維產量的一大半(60%),廣泛用於玻璃鋼的增強以及過濾織物,包紮織物等的生產,因為其價格低於無鹼玻璃纖維而有較強的競爭力。
  3、高強玻璃纖維其特點是高強度、高模量,它的單纖維抗拉強度為2800MPa,比無鹼玻纖抗拉強度高25%左右,彈性模量86000MPa,比E-玻璃纖維的強度高。用它們生產的玻璃鋼製品多用于軍工、空間、防彈盔甲及運動器械。但是由於價格昂貴,目前在民用方面還不能得到推廣,全世界產量也就幾千噸左右。
  4、AR玻璃纖維亦稱耐鹼玻璃纖維,主要是為了增強水泥而研製的。
  5、A玻璃亦稱高鹼玻璃,是一種典型的鈉硅酸鹽玻璃,因耐水性很差,很少用於生產玻璃纖維。
  6、E-CR玻璃是一種改進的無硼無鹼玻璃,用於生產耐酸耐水性好的玻璃纖維,其耐水性比無鹼玻纖改善7~8倍,耐酸性比中鹼玻纖也優越不少,是專為地下管道、貯罐等開發的新品種。
  7、D玻璃亦稱低介電玻璃,用於生產介電強度好的低介電玻璃纖維。
  除了以上的玻璃纖維成分以外,近年來還出現一種新的無鹼玻璃纖維,它完全不含硼,從而減輕環境污染,但其電絕緣性能及機械性能都與傳統的E玻璃相似。另外還有一種雙玻璃成分的玻璃纖維,已用在生產玻璃棉中,據稱在作玻璃鋼增強材料方面也有潛力。此外還有無氟玻璃纖維,是為環保要求而開發出來的改進型無鹼玻璃纖維。
  
  玻璃纖維製品品種與用途
  1、無捻粗紗
  無捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成的。無捻粗紗按玻璃成分可劃分為:無鹼玻璃無捻粗紗和中鹼玻璃無捻粗紗。生產玻璃粗紗所用玻纖直徑從12~23μm。無捻粗紗的號數從150號到9600號(tex)。無捻粗紗可直接用於某些複合材料工藝成型方法中,如纏繞、拉擠工藝,因其張力均勻,也可織成無捻粗紗織物,在某些用途中還將無捻粗紗進一步短切。
  (1)噴射用無捻粗紗適合於玻璃鋼噴射成型使用的無捻粗紗要具備如下性能:①良好的切割性,在連續高速切割時產生的靜電少;②無捻粗紗切割後分散成原絲的效率要高,也即分束率高,通常要求90%以上;③短切后的原絲具有優良的覆模性,可覆蓋在模具的各個角落;④樹脂浸透快,易於被輥子輥平並易於驅趕氣泡;⑤原絲筒退解性能好,粗紗線密度均勻,適合於各種噴槍及纖維輸送系統。噴射用無捻粗紗都是由多股原絲絡制而成,每股原絲含200根玻纖單絲。
  (2)SMC用無捻粗紗SMC即片狀模塑料,主要用於壓制汽車部件、浴缸、水箱板、凈化槽、各種座椅等。SMC用無捻粗紗在製造SMC片材時要切成lin(25mm)的長度,分散在樹脂糊中,因此對SMC用無捻粗紗的要求是短切性好,毛絲少,抗靜電性優良,在切割時短切絲不會粘附在刀輥上。對著色的SMC而言,無捻粗紗要在高顏料含量的樹脂糊中被樹脂浸透。通常SMC無捻粗紗一般為2400tex,少數情況下也有用4800tex的。
  (3)纏繞用無捻粗紗纏繞法用於製造各種口徑的玻璃鋼管、貯罐等。纏繞用無捻粗紗的號數從1200號到9600號,纏繞大型管道及貯罐多傾向於直接無捻粗紗,如4800tex的直接無捻粗紗。對纏繞用無捻粗紗的要求如下:①成帶性好,呈扁帶狀;②無捻粗紗退解性好,在從紗筒退解時不脫圈,不形成"鳥巢"狀亂絲;③張力均勻,無懸垂現象;④線密度均勻,一般須小於±7%;⑤無捻粗紗浸透性好,從樹脂槽通過時易為樹脂潤濕及浸透。
  (4)拉擠用無捻粗紗拉擠用於製造斷面一致的各種型材,其特點是玻纖含量高,單向強度大。拉擠用無捻粗紗可以是多股原絲併合的也可以是直接的無捻粗紗,其線密度範圍為1100號到4400號。各種性能要求與纏繞無捻粗紗大體相同。
  (5)織造用無捻粗紗無捻粗紗的一個重要用途是織造各種厚度的方格布或單向無捻粗紗織物,它們大多用於手糊玻璃鋼成型工藝中。對強造用無捻粗紗有如下要求:①良好的耐磨性;②良好的成帶性;③織造用無捻粗紗在織造前需經強制烘乾;④無捻粗紗張力均勻,懸垂度應符合一定標準;⑤無捻粗紗退解性好;⑥無捻粗紗浸透性好。
  (6)預型體用無捻粗紗在預型體工藝中,無捻粗紗被短切並噴附在預定形狀的網上,同時噴少量樹脂使纖維網固定成形,然後將成形的纖維網片移入金屬模具中,注入樹脂熱壓成形,即得製品。對於這種工藝的無捻粗紗的性能要求與對噴射無捻粗紗的要求基本相同。
  2、無捻粗紗織物(方格布)
  方格布是無捻粗紗平紋織物,是手糊玻璃鋼重要基材。方格布的強度主要在織物的經緯方向上,對於要求經向或緯向強度高的場合,也可以織成單向方格布,它可以在經向或緯向布置較多的無捻粗紗。
  對方格布的質量要求如下:①織物均勻,布邊平直,布面平整呈席狀,無污漬、起毛、摺痕、皺紋等;②經、緯密,面積重量,布幅及卷長均符合標準;③卷繞在牢固的紙芯上,卷繞整齊;④迅速、良好的樹脂透性;⑤織物製成的層合材料的干、濕態機械強度均應達到要求。
  用方格布鋪敷成型的複合材料其特點是層間剪切強度低,耐壓和疲勞強度差。
  3、玻璃纖維氈片
  (1)短切原絲氈將玻璃原絲(有時也用無捻粗紗)切割成50mm長,將其隨機但均勻地鋪陳在網帶上,隨後施以乳液粘結劑或撒布上粉末結劑經加熱固化后粘結成短切原絲氈。短切氈主要用於手糊、連續制板和對模模壓和SMC工藝中。對短切原絲氈的質量要求如下:①沿寬度方向面積質量均勻;②短切原絲在氈面中分佈均勻,無大孔眼形成,粘結劑分佈均勻;③具有適中的干氈強度;④優良的樹脂浸潤及浸透性。
  (2)連續原絲氈將拉絲過程中形成的玻璃原絲或從原絲筒中退解出來的連續原絲呈8字形鋪敷在連續移動網帶上,經粉末粘結劑粘合而成。連續玻纖原絲氈中纖維是連續的,故其對複合材料的增強效果較短切氈好。主要用在拉擠法、RTM法、壓力袋法及玻璃氈增強熱塑料(GMT)等工藝中。
  (3)表面氈玻璃鋼製品通常需要形成富有樹脂層,這一般是用中鹼玻璃表面氈來實現。這類氈由於採用中鹼玻璃(C)製成,故賦予玻璃鋼耐化學性特別是耐酸性,同時因為氈薄、玻纖直徑較細之故,還可吸收較多樹脂形成富樹脂層,遮住了玻璃纖維增強材料(如方格布)的紋路,起到表面修飾作用。
  (4)針刺氈針刺氈或分為短切纖維針刺氈和連續原絲針刺氈。短切纖維針刺氈是將玻纖粗紗短切成50mm,隨機鋪放在預先放置在傳送帶上的底材上,然後用帶倒鉤的針進行針刺,針將短切纖維刺進底材中,而鉤針又將一些纖維向上帶起形成三維結構。所用底材可以是玻璃纖維或其它纖維的稀織物,這種針刺氈有絨毛感。其主要用途包括用作隔熱隔聲材料、襯熱材料、過濾材料,也可用在玻璃鋼生產中,但所制玻璃鋼強度較低,使用範圍有限。另一類連續原絲針刺氈,是將連續玻璃原絲用拋絲裝置隨機拋在連續網帶上,經針板針刺,形成纖維相互勾連的三維結構的氈。這種氈主要用於玻璃纖維增強熱塑料可衝壓片材的生產。
  (5)縫合氈短切玻璃纖維從50mm乃至60cm長均可用縫編機將其縫合成短切纖維或長纖維氈,前者可在若干用途方面代替傳統的粘結劑粘結的短切氈,後者則在一定程度上代替連續原絲氈。它們的共同優點是不含粘結劑,避免了生產過程的污染,同時浸透性能好,價格較低。
  4、短切原絲和磨碎纖維
  (1)短切原絲短切原絲分干法短切原絲及濕法短切原絲。前者用在增強塑料生產中,而後者則用於造紙。用於玻璃鋼的短切原絲又分為增強熱固性樹脂(BMC)用短切原絲和增強熱塑性樹脂用短切原絲兩大類。對增強熱塑性塑料用短切原絲的要求是用無鹼玻璃纖維,強度高及電絕緣性好,短切原絲集束性好、流動性好、白度較高。增強熱固性塑料短切原絲要求集束性好,易為樹脂很快浸透,具有很好的機械強度及電氣性能。
  (2)磨碎纖維磨碎纖維繫由錘磨機或球磨機將短切纖維磨碎而成。磨碎纖維主要在增強反應注射工藝(RRIM)中用作增強材料,在製造澆鑄製品、模具等製品時用作樹脂的填料用以改善表面裂紋現象,降低模塑收縮率,也可用作增強材料。
  5、玻璃纖維織物
  以下介紹的是以玻璃纖維紗線織造的各種玻璃纖維織物。
  (1)玻璃布中國生產的玻璃布,分為無鹼和中鹼兩類,國外大多數是無鹼玻璃布。玻璃布主要用於生產各種電絕緣層壓板、印刷線路板、各種車輛車體、貯罐、船艇、模具等。中鹼玻璃布主要用於生產塗塑包裝布,以及用於耐腐蝕場合。織物的特性由纖維性能、經緯密度、紗線結構和織紋所決定。經緯密度又由紗結構和織紋決定。經緯密加上紗結構,就決定了織物的物理性質,如重量、厚度和斷裂強度等。有五種基本的織紋:平紋、斜紋、緞紋、羅紋和席紋。
  (2)玻璃帶玻璃帶分為有織邊帶和無織邊帶(毛邊帶)主要織防腐是平紋。玻璃帶常用於製造高強度、介電性能好的電氣設備零部件。
  (3)單向織物單向織物是一種粗經紗和細緯紗織成的四經破緞紋或長軸緞紋織物。其特點是在經紗主向上具有高強度。
  (4)立體織物立體織物是相對平面織物而言,其結構特徵從一維二維發展到了三維,從而使以此為增強體的複合材料具有良好的整體性和仿形性,大大提高了複合材料的層間剪切強度和抗損傷容限。它是隨著航天、航空、兵器、船舶等部門的特殊需求發展起來的,目前其應用已拓展至汽車、體育運動器材、醫療器械等部門。主要有五類:機織三維織物、針織三維織物、正交及非正交非織造三維織物、三維編織織物和其它形式的三維織物。立體織物的形狀有塊狀、柱狀、管狀、空心截錐體及變厚度異形截面等。
  (5)異形織物異形織物的形狀和它所要增強的製品的形狀非常相似,必須在專用的織機上織造。對稱形狀的異形織物有:圓蓋、錐體、帽、啞鈴形織物等,還可以製成箱、船殼等不對稱形狀。
  (6)槽芯織物槽芯織物是由兩層平行的織物,用縱向的豎條連接起來所組成的織物,其橫截面形狀可以是三角形或矩形。
  (7)玻璃纖維縫編織物亦稱為針織氈或編織氈,它既不同於普通的織物,也不同於通常意義的氈。最典型的縫編織物是一層經紗與一層緯紗重疊在一起,通過縫編將經紗與緯紗編織在一起成為織物。縫編織物的優點如下:①它可以增加玻璃鋼層合製品的極限抗張強度,張力下的抗脫層強度以及抗彎強度;②減輕玻璃鋼製品的重量;③表面平整使玻璃鋼表面光滑;④簡化手糊操作,提高勞動生產率。這種增強材料可以在拉擠法玻璃鋼及RTM中代替連續原絲氈,還可以在離心法玻璃鋼管生產中取代方格布。
  6、組合玻璃纖維增強材料
  70年代以來,出現了把短切原絲氈、連續原絲氈、無捻粗紗織物和無捻粗紗等,按一定的順序組合起來的增強材料,大體有以下幾種:
  (1)短切原絲氈+無捻粗紗織物
  (2)短切原絲氈+無捻粗紗布+短切原絲氈
  (3)短切原絲氈+連續原絲氈+短切原絲氈
  (4)短切原比氈+隨機無捻粗紗
  (5)短切原絲氈或布+單向碳纖維
  (6)短切原絲+表面氈
  (7)玻璃布+單向無捻粗紗或玻璃細棒+玻璃布

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