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玻璃纤维的应用及发展

发布日期:2018-10-03 作者: 点击:

玻璃纤维的概念

1.1玻璃纤维的定义

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550~750℃,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[1]。

1.2玻璃纤维的特性

玻璃纤维的熔点为680℃,沸点为1000℃,密度为2.4~2.7g/cm3。抗拉强度在标准状态下是6.3~6.9g/d,湿润状态5.4~5.8g/d。玻璃纤维的耐热性好,同时是绝缘性良好的高级绝缘材料,适用于生产绝热防火材料。

1.3玻璃纤维的成分

生产玻璃纤维用的玻璃与其它玻璃制品的玻璃不同[2]。生产玻璃纤维用的玻璃所含成分如下:

(1)E-玻璃,又称无碱玻璃,属硼硅酸盐玻璃。在目前生产玻璃纤维用的材料中,无碱玻璃的应用最多。无碱玻璃具有良好的绝缘性和机械性能,主要用来生产绝缘玻璃纤维和高强度玻璃纤维,但是无碱玻璃不耐无机酸腐蚀,所以不适合在酸性环境中使用。

(2)C-玻璃,又称中碱玻璃。与无碱玻璃相比,有较好的耐化学性,电气、机械性能差。在中碱玻璃中添加三氯化二硼可生产玻璃纤维表面毡,具有耐腐蚀的特性。不含硼的中碱玻璃纤维主要用于生产过滤织物与包扎织物。

(3)高强玻璃纤维,顾名思义,高强玻璃纤维具有高强度高模量的特性。其纤维抗拉强度为2800MPa,高于无碱玻纤抗拉强度25%左右,弹性模量为86000MPa,高于E-玻璃纤维[3]。高强玻璃纤维的产量不高,加上其高强度高模量的特性,所以一般用于军工、航空航天及运动器械等领域,其他领域应用并不广泛。

(4)AR玻璃纤维,又称耐碱玻璃纤维,是一种无机纤维。耐碱玻璃纤维耐碱性好,可抗高碱物质的腐蚀。具有极高的弹性模量以及抗冲击、抗拉、抗弯强度,同时还具有不燃、抗冻、耐温湿变化能力强,抗裂、抗渗性能好,可塑性强,易成型的特性,是玻璃纤维增强混凝土的肋筋材料。

02

玻璃纤维的制备

玻璃纤维的制造过程一般是先将原料进行熔融,之后进行纤化处理,如果要制成玻璃纤维球或者纤维棒的形状,则不能直接进行纤化处理。玻璃纤维的纤化工艺有三种[4]:

  • 拉丝法:主要方法为长丝喷嘴拉丝法,其次为玻璃棒拉丝法和熔体滴拉丝法;

  • 离心法:转鼓离心法、阶梯离心法和水平瓷盘离心法;

  • 吹喷法:吹喷法和喷嘴吹喷法。

以上几种工艺也可以联合使用,如拉丝—吹喷法等。后加工在经过纤化之后进行。纺织玻璃纤维的后加工分为以下两大步骤[4]:

(1)在生产玻璃纤维过程中,卷绕前合并在一起的玻璃长丝要进行上浆处理,在收集与孔眼转鼓前要用润滑剂对短纤维进行喷洒。

(2)进一步加工,根据玻璃短纤维和玻璃短纤维粗纱的情况不同,有如下步骤:

①玻璃短纤维加工步骤:

玻璃纤维

②玻璃短纤维粗纱加工步骤:

03

玻璃纤维的应用

3.1玻璃纤维在电工绝缘领域的应用

电工绝缘材料根据JB/T2197-1996电气绝缘材料产品分类可分为8大类,而与玻璃纤维相关的就有6类,这也就足以说明玻璃纤维在这一领域中的应用之广,这6类材料包括[5]:

(1)绝缘浸渍制品:由玻璃纤维布、套管、无纺绑扎带等经浸渍或涂覆绝缘漆制成,用于电机、电器的包扎绝缘、相间绝缘、绝缘保护和衬垫等等。

(2)玻璃纤维增强塑料层压制品:是以无碱玻璃纤维为增强材料,酚醛、环氧树脂等热固性树脂为基材而制成的材料,用于电机变压器、电工仪表、电子设备等,其中印制电路板用的覆铜箔层压板就是其中的一种。

(3)玻璃纤维模塑料:如BMC(散状模塑料)、DMC(团状模塑料)、CMC(片状模塑料)等,在高压开关中用作绝缘隔板、提升杆等,在空气开关和家用电器的外壳以及各种阻燃支撑绝缘件中都有用到。

(4)云母制品:云母带、云母板、云母箔等用作电机或高压电机的绝缘器件。

(5)绝缘粘带和复合制品:用于绝缘绑扎。

(6)电磁线:用于绕线电机、电器、电工仪表的绕组和线圈以及大型电机、汽轮发电机的绕组材料。

3.2玻璃纤维在环境领域的应用

生态环境是人类生存和发展所必须的生态因素,我国政府明确指出保护环境是我国长期坚持的基本。玻璃纤维因其优良的各项性能在大气、水、生物、土壤等环境领域均有着较为广阔的应用。

玻璃纤维过滤材料在改善废气成分、降低粉尘排放量等方面做出了相当大的贡献。美国HollingSworth&Vose公司开发的低硼玻璃纤维过滤材料可以解决悬浮分子污染带来的问题。一种用高硅氧玻璃纤维制成的过滤布能用于800℃以上的高温气体中滤除固体粉尘,可直接用于工业窑炉废气的消烟除尘而无需先对废气冷却,从而降低了废气处理的费用。此外,一种玻璃纤维空气过滤纸,是由玻璃纤维和脱臭剂沸石组成,用于空气调节系统中可以除去空气中的异味,如烟草烟臭味,从而达到净化空气的目的。

玻璃纤维在水环境和土壤环境中亦有很好的应用。美国伊利诺斯大学研制的由酚醛涂层玻璃纤维织成的耐磨织物可以有效而方便地代替常用的活化碳粒子来吸收环境污染物。OC公司在比利时的Battice工厂采用Advantex玻璃纤维技术实现了废水处理和回收的技术升级,使耗水量减少了50%以上,废水中污染物含量减少约80%。

玻璃纤维与有机纤维材料结合加工成土工材料可用于防水土流失,德国一家公司研制出一种把玻璃纤维和合成纤维用作土壤加固材料的方法,可提高土壤的强度。另外经过玻璃纤维和合成纤维加固的土壤,可以用于制作固体废弃物的填埋坑。

3.3玻璃纤维在生物医学领域的应用

由于玻璃纤维的优良性能使玻璃纤维织物具有强度高、不吸湿、尺寸稳定等特点,因而可在生物医学领域用作矫形和修复材料、牙科材料、医用器材等。与传统的棉布石膏绷带相比,玻璃纤维织物与各种树脂制作的矫形绷带克服了以往石膏绷带强度低、吸湿、尺寸不稳定等缺点。英国H.D.Michael等人发明的由水溶性磷酸盐玻璃纤维和一种生物降解性聚合物构成的复合材料可用于病人体内损伤组织的修复[6]。

日本北海道大学、千叶工学院研究的一种由生物相溶性玻璃CPSA生产的玻璃纤维塑性非常好,将其加工成球状和束状两种几何形状不同的结构,与成骨蛋白(BMP)结合并植入动物体内,以此可研究成骨诱导因素制定骨组织工程战略。通过研究人员的多次实体试验,证实CPSA(CaO-P2O5-SiO2-Al2O3)复合材料具有理想的生物相容性,而且CPSA玻璃纤维在牙科中已投入临床应用。

实践证明,玻纤膜滤器对白细胞有着很强的吸附能力和捕获能力,具有很高的白细胞去除率,而且作业稳定性极好。另外,玻璃纤维用作呼吸器的滤毒器已有多年历史,这种滤材对空气的阻力很小,细菌过滤效率很高。

3.4玻璃纤维在建筑材料领域的应用

众所周知,以水泥为基体的建筑材料突出的特点是抗压强度高而抗弯、抗拉强度和抗冲击强度低,随着人们对玻璃纤维的深入研究开发,耐碱玻璃纤维的问世便产生了一种新型的克服了水泥基体缺陷的玻璃纤维增强水泥材料,这种材料不仅可以提高水泥基的抗弯、抗拉强度,还可以提高其抗冲击强度。

玻璃钢是以热固性或热塑性树脂为胶结料,以玻璃纤维纱或玻璃布为填充料的一种复合材料。其综合发挥了这两种材料的优点,具备轻质高强的主要特点,耐热性、耐腐蚀性及电绝缘性都良好。玻璃钢在建筑领域的应用有采光、卫生、装饰装修、给排水、采暖通风、围护土木、电气、工装器具等。

玻纤胎是玻璃纤维在建筑领域应用的又一种材料,是通过短切玻璃纤维湿法成型,然后浸渍高分子粘结剂,经高温干燥固化而成的玻璃纤维制品,具有良好的防水性能及耐老化耐霉变性能,尺寸稳定且具有良好的加工性能。同时,在施工时可采用热溶或冷粘法,因此全年施工都不会受气候的影响。

3.5玻璃纤维在航空航天领域的应用

航空航天领域荟萃了当今世界上最先进的科技成果,也是新材料科学技术水平的集中展示。随着我国在该领域的大力发展,高性能玻璃纤维复合材料已成为航空航天工业中不可或缺的一种材料,与铝合金、钢和钛合金3大金属材料共同成为支撑航空航天事业发展的基石。

在航空上,无论是民用客机还是军用飞机都使用了玻纤复合材料。如在内外侧副翼、方向舵和扰流板等处都有用到。纤维增强塑料有效地减轻了飞机质量,提高了商用载荷,节约了能源。客舱内的顶板、行李箱、各类仪表盘、机身空调舱、盖板等都用到了纤维增强工程塑料,达到了质轻美观耐用的效果。

在航天领域,高性能玻纤复合材料作为主承力结构材料在运载火箭和航天器上的应用越来越普遍。利用纤维缠绕工艺制造的纤维/环氧复合材料固体发动机壳是近代复合材料发展史上的一个里程碑,它具有耐腐蚀、耐高温、耐辐射、阻燃、抗老化的性能。航天器上的防热材料大量采用了纤维、高硅氧增强酚醛树脂。

另外科研人员对玻璃纤维表面进行了化学等处理,有效地改善了玻璃纤维的脆性,从而制得了一种超细玻璃纤维织物,比开司米软7倍,比的确凉布软14倍,成功的用于宇航服的制作。总之,玻璃纤维这种材料从我国神舟2号开始直到神舟7号载人飞行均获得了成功应用。


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