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玻璃纖維
一種無機非金屬材料
玻璃纖維（Fiberglass）是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，以玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、紡紗、織布等工藝制造而成的，是二氧化硅以及金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物。現(xiàn)代玻璃纖維工業(yè)化奠基于20世紀30年代，其優(yōu)點是強度高、耐磨損、抗腐蝕、絕緣性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好，但熱傳導性很差，耐磨性也較差，主要按玻璃原料、單絲直徑和纖維形態(tài)等方式對其進行分類。玻璃纖維的制備工藝一般有坩堝拉絲法、池窯拉絲法、氣流吹拉法和滾筒法等，廣泛應用于復合材料中的增強材料、電氣絕緣材料、過濾材料、絕熱保溫材料以及其他工業(yè)材料等領域。
基本信息
中文名
玻璃纖維
英文名
Fiberglass
別名
玻纖
CAS編號
65997-17-3
外觀
表面光滑的圓柱體
水溶性
不溶于水
EINECS號
266-046-0
歷史沿革
最早的玻璃纖維是大自然的杰作，風襲把熔巖的前緣吹散成細絲般的物質，這種現(xiàn)象在世界上許多地方都可以看見，例如1906年在夏威夷 Kilauea 火山和 Vesuvius 火山所見到的現(xiàn)象。約公元250年之前，古敘利亞、希臘和埃及的玻璃工匠就從加熱的玻璃棒中牽引出纖維來，并且知道當把將其置于制件表面或母體之中保存下來，或者通過再加熱及工具加工等辦法進行處理，使之成為精致的裝飾品。
在十六和十七世紀，意大利和羅馬的玻璃工匠開始研究使用類似的玻璃纖維制作工藝。在1650~1720年間，英、德、法等國的玻璃生產者也創(chuàng)造新的拉制出玻璃纖維的方法。隨著玻璃工藝的發(fā)展，那個時期人們開始嘗試著從玻璃中制成纖維，然而未能繼續(xù)深入，缺乏相應的技術，玻璃纖維工業(yè)在后期才發(fā)展起來。
現(xiàn)代玻璃纖維工業(yè)化奠基于20世紀30年代，1938年，美國歐文斯·伊利諾（Owens-Illinois）玻璃公司和康寧（Corning）工廠聯(lián)合組成了歐文斯·康寧（Owens-Corning）玻璃纖維公司，這是世界上第一家玻璃纖維企業(yè)，標志著一個新工業(yè)部門的產生。1939年，日本“東洋紡績株氏會社”開始工業(yè)化生產玻璃纖維，1940年，美國發(fā)表了最早的E玻璃纖維專利，自此，玻璃纖維進入長期的發(fā)展階段。
20世紀50年代，美國在玻璃纖維生產方面取得了重要突破。1958年~1959年間，歇文斯·康寧公司和匹茲堡（Pittsburgh）平板玻璃公司相繼建成了池窯拉絲工廠。池窯拉絲技術的興起，是玻纖行業(yè)歷史上具有劃時代意義重大事件，玻纖行業(yè)由原來采用坩堝、以紡紗類產品為主的傳統(tǒng)工藝，逐漸向用池窯和孔漏板拉制這兩種工藝方式進行轉變，大幅提高了玻纖的產量與效率。
歐文斯·康寧玻璃纖維公司以及其它制造商通過不斷改進工藝和技術，使玻璃纖維的質量和性能不斷提高，隨著技術的發(fā)展和不斷的創(chuàng)新，玻璃纖維開始在建筑、汽車、飛機等工業(yè)領域進行大規(guī)模使用，并成為一個頗有潛力的新型材料。
組成和結構
結構
關于玻璃結構有很多種假設，其中“微晶結構”與“網(wǎng)絡結構”是最能反應真實情況的兩種假設。“微晶結構”理論提出了一種新的觀點，即“玻璃”是一種由硅酸鹽或二氧化硅的“微晶子”構成的、具有高形變特征的晶體，“微晶子”間存在著一層由硅酸鹽過冷溶液填充的無定形過渡層?！熬W(wǎng)絡結構”假設認為，玻璃是由二氧化硅四面體，鋁氧四面體或硼氧三面體構成的三維無序網(wǎng)狀結構，結構中的間隙被 Na、K、Ca、Mg等金屬離子所填滿。二氧化硅四面體的立體網(wǎng)絡結構是決定玻璃性能的基礎，Na、Ca等金屬陽離子，被稱作網(wǎng)絡改性物。
化學組成
玻璃纖維是由幾種金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物，屬于無定形離子結構物質，主要成分是二氧化硅以及和鈉、鉀的一價氧化物、鈣的二價氧化物、鋁的三價氧化物等，適量混有作為上述氧化的副產品的碳酸，熔融，急冷凝固后，得到無定形的產品。二氧化硅作為玻璃的主體成分，其作用是在玻璃中形成基本骨架，金屬氧化物的作用是改善制備玻璃纖維的工藝條件和使玻璃纖維具有一定的特性。玻璃纖維化學成分的制定要滿足其理化性能和制造工藝的要求。
主要分類方法
按玻璃原料成分
- 無堿玻璃纖維（E玻璃纖維）：無堿玻璃纖維含堿量小于 0.5% 或0.7%，是制作玻璃纖維增強復合材料的首選，使用硅酸巖玻璃為原材料，然后加入鋁、硼等元素的金屬氧化物得到的。這種玻璃纖維具有良好的強度，同時也表現(xiàn)出良好的電絕緣性能、化學穩(wěn)定性和耐熱性能等，因此被廣泛應用于玻璃鋼、工程材料、橡膠等領域。
- 中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）：中堿玻璃纖維是一種特殊的玻璃纖維，通過將其他金屬或化合物添加到玻璃密料中來制作，堿金屬氧化物含量在 11.5%~12.5%。中堿玻璃纖維強度、耐熱性和電絕緣性均略差于無堿玻璃纖維，但具有更高的耐酸性能，通常應用于需要抵御強腐蝕的領域，價格較便宜。
- 高堿玻璃纖維（A玻璃纖維）：高堿性玻璃纖維的化學成分中，金屬氧化物的比例在14%-17%之間，由于該玻璃鋼的堿含量高，所以其力學性能、耐水性和耐酸性能都比較差，但其原料來源方便，成本低廉。
按單絲直徑
玻璃纖維單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分成幾種，其直徑值以微米為單位：粗玻璃纖維，單絲直徑在30微米以上；初級玻璃纖維，單絲直徑在20微米以上；中級玻璃纖維，單絲直徑在10~20微米之間；高級玻璃纖維（紡織纖維），單絲直徑在3~10微米之間；超級玻璃纖維，單絲直徑在4微米以下。
按纖維形態(tài)
- 連續(xù)玻璃纖維：連續(xù)玻璃纖維主要采用漏板法的拉絲工藝制成，將熔化的玻璃液體從漏板處的小孔中排出，然后在外力的作用下，將其拉引成無限延伸的無機纖維?？晒┘徔椉庸こ?/span>玻璃紗、布、帶或無紡、少紡制品等，由于連續(xù)纖維基本都要經(jīng)過紡織加工，所以又稱紡織玻璃纖維。
- 定長玻璃纖維：定長玻璃纖維的長度是有范圍的，一般為300~500毫米左右，利用高壓氣流吹拉或滾筒法等方法，將熔融玻璃液拉成長短不均的纖維，即所謂的長棉?？勺龀擅啿⒓庸こ擅喛椢?，也可做成薄氈，用作防水材料、過濾材料及隔熱材料等。
常見玻璃纖維化學成分（單位：%，質量分數(shù)）
組分 | E玻璃 | C玻璃 | A玻璃 | S玻璃 | AR玻璃 | D玻璃 |
SiO2 | 55.2 | 65 | 72 | 65.0 | 71.0 | 70 |
Al2O3 | 14.8 | 4 | 2.5 | 25.0 | 1.0 | 1 |
B2O3 | 7.3 | 5 | 0.5 | - | - | 25 |
MgO | 3.3 | 3 | 0.9 | 10.0 | - | 1 |
CaO | 18.7 | 14 | 9.0 | - | - | 2 |
Na2O | 0.3 | 8.5 | 12.5 | - | 11 | - |
K2O | 0.2 | - | 0.5 | - | - | - |
Li2O | - | - | - | - | 1 | 1 |
Fe2O3 | 0.3 | 0.5 | 0.5 | - | 微量 | - |
TiO2 | - | - | - | - | - | - |
ZrO2 | - | - | - | - | 16.0 | - |
F2 | 0.3 | - | - | - | - | - |
特點
優(yōu)點
- 抗拉強度高，直徑愈細，強度愈高，與樹脂親和性好、成本低；
- 輕質，相對于金屬材料，玻璃纖維的比重較輕，可以減輕整體重量，使產品更易于運輸和安裝；
- 有彈性，無屈服點，延伸率小，約為2%，尺寸穩(wěn)定性好；
- 熱穩(wěn)定性較好，在300℃時，短時間內性能不受影響，24h 后強度下降20%；
- 高強度，玻璃纖維的強度比鋼鐵還要高，能夠承受重載荷和高強度沖擊；
- 電氣絕緣性好，玻璃纖維是良好的電絕緣材料，能夠在高溫和高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定性。
缺點
- 硬度過高而塑性極差導致高磨損率，熱傳導性也很差；
- 耐曲撓性差，密度大，吸濕性低；
- 低拉伸彈性模量、操作時對磨損敏感、相對低的抗疲勞性能；
- 對靜電疲勞敏感，即不能長時間承受靜態(tài)載荷；
- 耐磨性差，彎曲強度較低。
相關性能
物理性能
外觀和密度
玻璃纖維的密度與其他纖維的比較見下表，長玻璃纖維的密度比一般天然纖維有機纖維的密度都高。玻璃纖維的外觀呈表面光滑的圓柱體，橫截面幾乎都是完整的圓形，這樣有利于提高玻璃纖維的堆密度。
不同纖維的密度
纖維種類 | 羊毛 | 蠶絲 | 棉花 | 人造絲 | Kevlar-49 | 尼龍 | 碳纖維 | 石墨纖維 | 玻璃纖維 | |
無堿 | 有堿 | |||||||||
密度／(g/cm3) | 1.08~1.33 | 1.3~1.45 | 1.5~1.6 | 1.5~1.6 | 1.4 | 1.14 | 1.4 | 2.0 | 2.6~2.7 | 2.4~2.6 |
直徑和長度
玻璃纖維制造時，可以將其拉伸成較長的細絲，也可以剪裁成幾毫米長的短纖維，有連續(xù)玻璃纖維、短切玻璃纖維和磨碎纖維等，短切纖維長度通常為3~25毫米，其長度可以根據(jù)具體需要進行調整。玻璃纖維長度對制品性能有一定影響，通常在保證纖維均勻分布的條件下，纖維越長，制品性能越好，較長的玻璃纖維能幫助加強材料的強度、剛度等性能。
玻璃纖維單絲的常用直徑從幾到幾十微米，由于單絲直徑的差別，不但造成了纖維各項特性的差異，還會對生產工藝、產量及成本產生一定的影響。一般5~10微米的纖維作為紡織制品使用，10~14微米的纖維做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。玻璃纖維的直徑和長度對玻璃纖維的強度的影響較大。
抗拉強度
玻璃纖維的直徑和長度直接影響其力學性能，在相同的拉絲工藝條件下制得的玻璃纖維，直徑越小，抗拉強度越高。測試結果見下表。
玻璃纖維的直徑對抗拉強度的影響
直徑/μm | 4 | 5 | 7 | 9 | 11 |
抗拉強度/MPa | 3000-3800 | 2400-2900 | 1750~2150 | 1250~1700 | 1050-1250 |
玻璃纖維的直徑越細，它的強度就越高，扭曲性也就越好。這主要是因為，隨著纖維直徑的減小，它的表面裂紋就會更少，更小，所以它的抗拉強度會隨著纖維直徑的減小而迅速增加。由于隨著纖維直徑和長度的減小，纖維中的微裂紋會相應減少，因而玻璃纖維的強度會隨著纖維直徑和長度的增加而減小。
玻璃纖維的長度和直徑對抗拉強度的影響
長度/mm | 直徑/μm | 抗拉強度/MPa |
5 | 13 | 1500 |
20 | 12.5 | 1210 |
90 | 12.7 | 360 |
其他相關性能
不同玻璃纖維的性能
有堿纖維A | 化學纖維C | 低介電纖維D | 無堿纖維E | 高強度纖維S | 粗纖維R | 高模量纖維M | |
拉伸強度／GPa | 3.1 | 3.1 | 2.5 | 3.4 | 4.58 | 4.4 | 3.5 |
彈性模量／GPa | 73 | 74 | 55 | 71 | 85 | 86 | 110 |
延伸率／% | 3.6 | - | - | - | 3.37 | 4.6 | 5.2 |
密度／(g/cm) | 2.46 | 2.46 | 2.14 | 2.55 | 2.5 | 2.55 | 2.89 |
比強度／[GPa/(g/cm)] | 1.3 | 1.3 | 1.2 | 1.3 | 1.8 | 1.7 | 1.2 |
比模量／[GPa/(g/cm)] | 30 | 30 | 26 | 28 | 34 | 34 | 38 |
熱膨脹系數(shù)／(10/K) | - | 8 | 2～3 | - | - | 4 | - |
折射率 | 1.52 | - | 1.55 | 1.52 | 1.54 | - | |
損耗角正切值 | - | - | 0.0005 | 0.0039 | 0.0072 | 0.0015 | - |
相對介電常數(shù)／Hz | - | - | 3.8×10 | 6.11×10 | 5.6×10 | 6.2×10 | - |
體積電阻／μΩ·m | 10 | - | - | 10 | - | - | - |
化學性能
除了氫氟酸，濃堿，濃磷酸以外，玻璃纖維對各種化學物質及有機溶劑均有較好的化學穩(wěn)定性，而化學穩(wěn)定性在很大程度上決定了不同纖維的使用范圍。有堿纖維具有良好的抗酸性能，而無堿纖維則具有良好的抗水性能，但抗酸性能很差；中堿的玻璃纖維與無堿的玻璃纖維在抗弱堿溶液腐蝕方面具有相近的特性。
二氧化硅和堿金屬氧化物在玻璃纖維中的含量對其化學穩(wěn)定性有很大影響。隨著二氧化硅的含量的增加，玻璃纖維的化學穩(wěn)定性、耐酸性（提高二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鋯或二氧化鈦的含量）和耐堿性（加入氧化鈣、二氧化鋯和氧化鋅）都會得到改善。在玻璃纖維中添加三氧化二鋁、二氧化鋯等氧化物，還可以增強其耐水性，但是堿金屬氧化物會讓其化學穩(wěn)定性變得更差，在水環(huán)境中，因為玻璃纖維中的堿分的溶出，還會造成其強度的降低。
制備工藝
連續(xù)玻璃纖維制備
坩堝拉絲法（一步法）
坩堝拉絲法的生產過程主要包括了兩個方面：一是將玻璃制成玻璃珠，二是在坩堝中進行拉絲，因此也被稱為玻璃珠法。這種方法使用了單一的坩堝構成一條生產線，它可以對工藝參數(shù)和種類進行靈活的調整，應用在不同的條件下。其流程是，根據(jù)纖維質量要求將砂、石灰石、硼酸和其它玻璃原材料按照一定的比例進行干燥混合，然后倒入熔化爐中進行熔融，熔融后的玻璃流入造球機，形成可用于拉伸的玻璃球。將制得的玻璃珠用熱水沖洗，去污，篩選，然后用坩堝加熱，然后用高速旋轉的拔絲機拉絲制成直徑很細的玻璃纖維。
玻璃球法制備工藝
池窯拉絲法（兩步法）
池窯拉絲法，又稱直接熔融拉絲法，是一種新型的連續(xù)玻璃纖維制備工藝方法。它將玻璃混合料直接放入熔窯中熔融后，通過拉制成不同數(shù)量的連續(xù)玻璃纖維。相比于坩堝拉絲法，池窯拉絲法省去了制球工藝，簡化了其余的流程，效率高，容量大，生產能力更強，可實現(xiàn)自動化集中控制，制得的產品質量穩(wěn)定。此方法適用于采用多孔大漏板生產粗玻璃，并且回收廢產品更加容易。
定長玻璃纖維制備
氣流吹拉法
氣流吹拉法采用的是一種新技術，它通過高速噴入的高溫蒸氣或壓縮空氣，將從漏板中溢出的玻璃液體以細流股的形式拉成一定長度的玻璃纖維，它的成形原理與連續(xù)玻璃纖維差不多，不同之處在于，它利用氣體和纖維之間的摩擦來取代傳統(tǒng)的拉絲機進行拉絲。成型溫度和粘度范圍介于連續(xù)纖維與立吹玻璃棉之間，調整孔徑、漏板溫度和氣流速度等工藝參數(shù)，可以生產各種纖維產品，例如薄氈或毛紗等。
滾筒法
滾筒法利用高速旋轉的大滾筒與其周圍擋板所形成的空氣流，在浸潤劑的配合下，把加熱后的玻璃絲粘在滾筒的表面，從而把玻璃絲拉成一定的長度玻纖。再經(jīng)鋪氈機制成定長纖維薄氈，或經(jīng)螺旋筒空氣加捻生產定長纖維毛紗，這種方法又稱舒勒法，安哥拉法。
移動爐法
移動爐法是指將拉絲爐沿著大滾筒做軸線方向的往復運動，這樣就可以讓纖維以一個固定的交叉角纏繞在滾筒上，當它的厚度到達某一程度之后，就可以把纖維層給剪掉，然后將其拉出來，這樣就形成了一個交錯網(wǎng)絡狀的半成品，然后再經(jīng)過浸膠和烘干，就可以聚合成一個有固定寬度的薄氈。這種工藝具有設備簡單、使用方便等優(yōu)點，但是所制得的纖維尺寸比較大，而且不能進行連續(xù)生產。
安全防護
危險性
玻璃纖維可能對人體健康產生不良影響，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。首先，碎裂的玻璃纖維會對皮膚和呼吸道造成傷害，可能出現(xiàn)瘙癢、咳嗽、流血、發(fā)炎等癥狀。由于玻璃纖維精細且質地輕硬，因此在拆解、碎裂的過程中容易產生飛散的短纖維，污染空氣并威脅工人健康。與石棉不同的是，玻璃纖維不會分裂成更小的纖維，但仍可能對皮膚和黏膜造成損傷。其次，在制作過程中添加的聚四氟乙烯抗磨劑和已二酸二異丁酚增塑劑等成分也有可能對人體健康產生危害。使用時應避免直接接觸玻璃棉或穿著接觸過玻璃纖維的衣物，以減少受到玻璃纖維的危害。
玻璃纖維原料中含潤滑油和樹脂型固色劑，其中樹脂型固色劑含有甲醛，所以上料過程中可能接觸到甲醛、潤滑油；坩堝爐在加熱過程產生噪聲和高溫；拉絲機在拉絲過程中產生玻璃纖維棉粉塵和噪聲；紡紗機在捻線合股工藝過程中產生玻璃棉粉塵和噪聲；包裝入庫過程產生極少的玻璃棉粉塵。
概括來說，在玻璃纖維生產制造過程中存在多種危害，包括皮膚過敏、粉塵毒物、輻射熱和噪聲等。調查結果顯示，其中最大的危害是皮膚刺激過敏，可能是加工中使用的浸潤劑所導致。玻璃纖維的原材料粉碎、配料和運輸會產生大量粉塵，若附著在皮膚和衣服上，難以發(fā)現(xiàn)和脫落，會對皮膚造成刺痛和感染。浸潤劑稀釋及使用時還具有刺激性氣味和腐蝕性，空氣中可能含有毒性氣體。另外，熔化爐會釋放輻射熱和眩目光線，對人體造成傷害，而電機、鼓風機和紡織車間則是主要的噪聲來源，需要采取控制和保護措施。
防護措施
在日常生活中，人可能通過呼吸、攝入或皮膚接觸而暴露在玻璃纖維中。接觸玻璃纖維的工作人員應穿戴防護服、手套和帶側盾的安全眼鏡，以及顆粒防護口罩。非職業(yè)暴露，如在家里、辦公室或學校，可能會因含玻璃纖維材料的狀況和運動以及建筑物或房間內的氣流而有所不同。對玻璃纖維粉塵必需采取綜合措施，一切防護設計應使粉塵減少到合適濃度以下。個人防護用防護衣、眼罩等，呼吸器僅能作為非固定操作的臨時預防措施。接觸玻璃纖維工人每年作預防性體檢一次，檢查重點是皮膚及呼吸系統(tǒng)，有過敏性皮炎，肺部有嚴重器質性病變者不宜接觸玻璃纖維。
為了防止在玻璃纖維生產過程中引起的危害，需要采取一系列的安全措施。例如：帶橡膠手套和涂護膚膏可以預防皮膚過敏，上下班要更換工作服、洗熱水澡以及定期用高溫水洗滌工作服使玻璃纖維縮短脫落等措施也是必需的。在拉絲等生產中，要帶防護眼鏡，被玻璃纖維刺入后，可用膠布反復粘貼。此外，在織機、落紗處應該增加除塵設備，加強通風，職工應穿緊口工作服，佩戴防塵口罩和帽子等。遠離熔化爐，使用吸熱玻璃隔離爐和操作間等方法也有助于減少輻射熱的危害。同時，在浸潤劑稀釋及使用崗位應安裝局部排風設備，保持通風換氣，降低空氣中的毒性氣體含量。為使非噪聲崗位不接觸噪聲，應合理安排玻璃纖維生產工藝流程，使粉碎、融化、紡織車間相對獨立并留有一定空間。
主要用途
電氣絕緣材料
玻璃纖維的絕緣性能優(yōu)良，具有優(yōu)異的電絕緣性能，所以可以作為一種絕緣材料，用于電氣設備的隔離、絕緣和防護，例如可以制成電子電纜。玻璃纖維還可以用于制造印刷電路板等電子元器件，其高強度、耐高溫、化學穩(wěn)定性以及良好的絕緣性等優(yōu)良性能，使其成為電子電氣領域的理想材料，在該領域應用十分廣泛。
復合增強材料
玻璃纖維增強塑料又稱玻璃鋼，是玻璃纖維和樹脂的復合材料。玻璃纖維和樹脂各有優(yōu)缺點，玻璃纖維耐較高溫度、化學穩(wěn)定性好、抗拉強度大，但較脆，而樹脂可以塑制成型，有性、耐侵蝕、比小，但強度低，兩者合在一起互相彌補缺點，成了一種高性能材料。玻璃纖維復合材料可以制成各種車身構件，例如前護板、引擎罩、車門、排氣管等，可提高結構強度和降低重量。除此之外，也廣泛應用于航空領域，例如制造飛機機翼、機身、尾翼等部件，其輕質高強的特性可以大大減少飛機的重量和燃油消耗。
過濾材料
玻璃纖維布可制成多種過濾材料，例如做炭黑的過濾袋，水泥工業(yè)回轉窯排氣的過濾。玻璃纖維材料表面光滑，對流體阻力小，耐高溫，過濾物又容易落拂，因此是效率較高的優(yōu)良過濾材料。基于化學穩(wěn)定性好、過濾效率高，玻纖制品也被用于潤滑油、重水、飼料乃至血漿等液體的過濾凈化。
其他工業(yè)材料
玻璃纖維紡織制品的表面涂塑或涂膠，可制成被覆材料，經(jīng)被覆處理后，可增強耐磨性、柔韌性及強度，更利于使用。玻璃纖維作為基材的防水材料，具有防水等級高、使用壽命長、節(jié)約瀝青、施工方便等特點，也屬優(yōu)質絕熱材料，能耐高溫，是工業(yè)管道、熱力設備和建筑絕熱主體材料之一，是建筑領域中的新型材料，由于其具有輕便、透明、隔熱等特性，因此可以有效地節(jié)省建筑材料和降低建筑成本。
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