玻璃纖維的性能與應用

玻璃纖維的性能與應用

0化纖新材料加工和利用的行業(yè)各行業(yè)作用隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，觀念的變遷，紡織品應用的領域不斷擴大，從最初的一般穿著性的服用功能到環(huán)境的裝飾功能，再到滿足不同行業(yè)需求的特殊功能，紡織品應用已經(jīng)覆蓋了服裝使用、裝飾使用和工業(yè)使用三個領域。其中，產(chǎn)業(yè)紡織品是多學科齊聯(lián)互通、發(fā)展和應用的結(jié)果。產(chǎn)業(yè)用紡織品之所以能夠滿足不同行業(yè)的特殊需求,與化纖工業(yè)的發(fā)展和化學纖維本身的特殊性能有著重要關系。例如,一些高性能纖維的強度和模量是鋼絲的5~10倍,甚至更高,同時又具有彈性和柔軟性;有的纖維具有各種特殊的功能,如抗菌、屏蔽各種射線和具有記憶功能等?；w新材料除了本身的性能優(yōu)異之外,其加工性能已非常好,可以加工成各種形態(tài),并可采取涂層、疊層、復合等不同后加工方法滿足各種不同的需要。如:碳纖維可以采取三維立體編織各種幾何形狀,在與樹脂復合后做成復合材料用于航空、航天、汽車和機械工程中,與鋼材相比,重量減輕3/4,而強度提高4倍;芳族聚酰胺纖維等高性能纖維經(jīng)復合后可做成復合裝甲、噴管喉襯、防彈頭盔、防彈衣等,已成為軍工裝備研制生產(chǎn)的關鍵材料?；w新材料在農(nóng)業(yè)、交通運輸、飛機、汽車、市政建設、環(huán)保、造紙工業(yè)、體育器材和功能運動服中都有很多用途。而玻璃纖維的出現(xiàn),更將產(chǎn)業(yè)紡織品推進一個新時代。1雙重性能玻璃纖維是一種新型的工程材料,具有不燃、耐腐蝕、耐高溫、吸濕小、伸長小等優(yōu)良性能,在電氣、力學、化學以及光學等方面也有優(yōu)良的特性。1.1高阻力和低延伸率玻璃纖維比強度極高,超過了其他纖維與金屬,同時它的模量極高,具有很好的抗變形能力,斷裂伸長率小于4%。1.2無長期蠕蟲在長期荷載的情況下,玻璃纖維不會發(fā)生蠕變,使得其在與橡膠復合后的產(chǎn)品能長期保持性能。1.3可靠性玻璃纖維的熔化點在1000℃以上,確保作為骨架材料時,在高溫環(huán)境中保持性能的穩(wěn)定。1.4纖網(wǎng)中纖維素制品的應用玻璃纖維的主要成分為硅酸鹽,除氫氟酸、磷酸外,不受油類、酸類、有機溶劑的侵蝕,因此在各行業(yè)廣泛應用。在短短的60年間,玻璃纖維制品的應用己覆蓋工業(yè)、建筑、交通、信息通訊、生態(tài)環(huán)保等多個領域。隨著先進玻璃纖維池窯拉絲生產(chǎn)工藝的掌握和產(chǎn)量劇增,我國己名副其實地成為玻璃纖維生產(chǎn)大國。2玻纖產(chǎn)品的分類和應用2.1組織形式對纖軟性的影響玻璃纖維在拉制過程中經(jīng)過浸潤劑的作用,獲得了柔軟性,使之易于紡織。在大多數(shù)情況下,玻璃纖維必須要有一定的組織形式才能充分發(fā)揮它的性能。玻璃纖維織物分為機織物與針織物兩大類。2.2增強塑料的基本特征在玻璃纖維的總產(chǎn)量中,約有70%用作復合材料的增強材料,其中主要用于塑料增強。玻璃纖維增強塑料(即玻璃鋼)是以合成樹脂為基體,以玻璃纖維及其制品為增強材料制成的,具有優(yōu)良的比強度、剛度、耐氣候性、耐腐蝕性和耐用性;幾乎可設計和塑造成任何所需形狀,達到期望的美學要求;可實現(xiàn)部件整體成型,大大減少組裝零件數(shù)量,節(jié)省模具費用。2.2.1鋼結(jié)構(gòu)車件和軌道車輛玻璃鋼用于汽車車身的最大優(yōu)點是減輕重量。與鋼材相比,玻璃鋼能使很多部件減重35%之多。其他特性還有:剛度高,能量吸收性好,不銹,防腐,不易產(chǎn)生壓痕和擦傷,設計靈活等。汽車工業(yè)是玻璃鋼的最大市場之一,采用玻璃鋼的汽車部件有:進氣歧管、發(fā)動機罩、保險杠、橫梁、車門板、儀表板、隔熱板等。使用玻璃鋼部件的軌道車輛有:高速火車、輕軌列車和地鐵,主要優(yōu)點有:減輕重量,降低能耗;使剎車和啟動時能耗降低:提供優(yōu)良的強度和剛度性能指標;在樹脂中添加阻燃劑,具有防火性能,保證乘客安全;能吸收火車的大量振動,增加乘客的舒適度等;玻璃鋼適用于各種船只的設計和制造,其特點是重量輕、強度高、耐腐蝕、防水浸、維護量小。2.2.2碳纖維對材料碳化過程中frp的利用與加強玻璃鋼在建筑領域有著廣泛的應用。近10年來,舊建筑和基礎設施的加固、修復和翻新已成為一種重要工程。由于長期荷載、氣候老化、腐蝕、環(huán)境降解、不良設計或施工、缺乏維修以及天災或事故等原因引起的建筑結(jié)構(gòu)如橋面、梁、柱、房屋、停車場等的老化給玻璃纖維或碳纖維增強塑料(FRP)帶來機遇。在加固技術(shù)獲得成功的基礎上,進一步應用FRP進行新的建設。這方面已有不少成功的范例,特別是步行橋的建設?；炷潦鞘澜缟嫌玫米顝V泛的建筑材料,但它有一個重大的缺陷:當它的壓縮強度較高的時候,其拉伸強度則非常有限。通常利用鋼筋來克服這一缺點,但是在腐蝕性很強的環(huán)境中,鋼筋腐蝕會導致混凝土開裂和剝落,最終引起構(gòu)筑物毀壞。用玻璃鋼代替鋼做混凝土筋材,具有重量輕、屈服強度和彈性模量高、不生銹、耐腐蝕、防磁性能好等優(yōu)點。2.2.3鋼絞線是受荷于海上的主流能源開發(fā)是玻璃鋼較新的應用市場,主要有風力發(fā)電、海上采油采氣等。風能是世界上發(fā)展最快的能源技術(shù),是無污染的清潔能源。風力發(fā)電依靠渦輪機完成,其中渦輪機葉片是關鍵部件。由于增強塑料在重量、強度、氣動彈性及其他性能方面的優(yōu)點,它最能與風力渦輪機的操作條件相匹配。玻璃鋼葉片已廣泛用于岸上和海上的風力發(fā)電項目。葉片制造商采用的玻纖原材料有短切原絲氈、連續(xù)原絲氈、無捻粗紗、單向和多軸向的縫編布和機織布等。海上石油和天然氣的開采是前景廣闊的工業(yè),也是應用玻璃鋼的新興市場。玻璃鋼產(chǎn)品耐腐蝕、耐紫外線照射、耐熱阻燃、輕質(zhì)高強,這些特性都符合海上苛酷環(huán)境的要求。2.2.4航空結(jié)構(gòu)器件復合材料已在航空航天飛行器上獲得多種應用,如飛機機身、機翼、內(nèi)裝件、火箭和導彈發(fā)動機殼體、導彈彈藥箱、噴管、雷達罩和壓力容器等。由于剛度關系,航空結(jié)構(gòu)的外部通常多用非玻璃纖維的增強材料,但較小飛機的外部機身則可采用玻璃纖維增強。玻璃鋼在航空器中的成功應用是商用飛機的內(nèi)部器件,如波音747飛機上層客艙的艙頂板等。在航天和軍事工程方面,玻璃鋼早就用作火箭、導彈的外殼或其發(fā)動機的外殼。玻璃鋼還在人造地球衛(wèi)星和電視衛(wèi)星等方面獲得了應用。2.3氣體過濾的應用玻璃纖維制品作為過濾材料,特別是在高溫氣體過濾方面占有重要一席。以紙、機織物、氈及覆膜為主要形態(tài),用于不同含污染物和要求凈化的氣體過濾,目前已大批量用于碳黑、水泥、冶金工業(yè)以及焚燒煙氣的除塵凈化。同時,也用于人防工程、防毒工具、車輛空調(diào)的空氣過濾和超凈化室的空氣處理,并可以使過濾兼有殺菌、除異味效果?；诓ＡЮw維制品的化學穩(wěn)定性和高的過濾率,也被用于潤滑油、重水、飲料等液體的過濾凈化。超細玻璃纖維還被用于生產(chǎn)實驗室用精品過濾器。3最新的纖維應用3.1浸漬劑與偶聯(lián)劑的應用國外生產(chǎn)廠家在改善玻璃纖維性能方面作了大量的研究,并且取得了可喜的成果。他們不僅在前道拉絲工序采用不同的浸潤劑對單絲進行化學涂敷,而且在后道織布工序采用不同的偶聯(lián)劑對織物進行表面化學處理,不同的浸潤劑與不同的偶聯(lián)劑就是不同用途的產(chǎn)品。比如有一種超細玻璃纖維織物,國外稱為“貝它”紗。由于纖維直徑極細,故它的柔軟性特別好。它比開士米軟7倍,比“的確涼”滌棉布軟14倍,比一般工業(yè)用的玻璃纖維軟36倍,手感柔軟,耐皺折,可用作宇航服及充氣屋頂材料。國內(nèi)玻璃纖維行業(yè)由于很快推廣了池窯拉絲規(guī)模化生產(chǎn)新技術(shù),使玻璃纖維的產(chǎn)量迅速提高。目前連續(xù)玻璃纖維年產(chǎn)量已超過3.5×106t,礦物棉產(chǎn)量也達4.5×106t以上,我國成為世界上玻璃纖維生產(chǎn)大國之一。中國玻纖工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整呈現(xiàn)巨大成效,玻纖生產(chǎn)總量6.525×106t。3.2國內(nèi)碳纖維過濾材料的發(fā)展目前,國外玻璃纖維行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到擁有3000多個玻璃纖維品種,50000多個規(guī)格,每種規(guī)格都有一種用途相對應。國外玻璃纖維產(chǎn)品按用途劃分基本上可分為四大類:增強熱固性塑料用玻璃纖維增強材料、增強熱塑性塑料用玻璃纖維增強材料、增強瀝青用玻璃纖維增強材料及玻璃纖維紡織材料。除了汽車、船艇等傳統(tǒng)產(chǎn)品外,玻璃鋼風力發(fā)電機風輪葉片、拉擠玻璃鋼門窗、玻璃鋼筋材、玻鋼雷達罩、連續(xù)成型玻璃鋼瓦及板材和混凝土結(jié)構(gòu)的修復補強均是玻璃鋼新的應用領域。玻璃纖維過濾材料作為玻璃纖維紡織材料應用較廣的用途之一,近來也有很大發(fā)展。從1932年美國歐文斯-伊利諾斯(O-I)集團公司首次將玻璃纖維用于強制通風窯收塵,發(fā)展到如今的覆膜濾料,玻璃纖維過濾材對環(huán)保事業(yè)功不可沒。我國的玻璃纖維濾料和濾袋與袋式除塵技術(shù)是同步發(fā)展的。從20世紀60年代起,南京玻璃纖維研究院與北京建材研究院都分別開展了玻璃纖維過濾材料的研究開發(fā)工作,現(xiàn)已發(fā)展了連續(xù)玻璃纖維平幅過濾布、玻璃纖維針刺氈、玻璃纖維復合氈、玻璃纖維覆膜濾料等品種。除了這些傳統(tǒng)領域外,玻璃纖維還在許多領域發(fā)揮作用。玻璃纖維可用做吸聲隔音材料、絕熱材料、建筑防水材料、工程建筑材料和光導材料等。其中玻璃纖維作為光導材料大大改善了人類的生產(chǎn)與生活。最近,光纖在太陽能傳輸?shù)膽脼槿祟惤鉀Q能源危機帶來福音;光化學納米TiO2光催化技術(shù)可用于分解難于降解的有機污染物,并能殺死細胞和病毒,在給水、廢水處理和殺菌消毒等領域有著廣闊的應用前景,具有潛在的高效性和經(jīng)濟性。玻璃纖維及其制品還在核能技術(shù)開發(fā)中大顯身手。不含氧化硼的耐輻射玻璃纖維,已經(jīng)用作核反應堆內(nèi)探測器電纜的絕緣材料及其它高溫導線的絕緣材料。另外,由于玻璃纖維具有的一系列優(yōu)異特性,在人類向海洋進軍中,玻璃纖維將可大顯身手。如海底石油及礦產(chǎn)開采,可用玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)作開采設備的結(jié)構(gòu)材料和輸送管道、儲油罐及浮洞等,還可用作鉆機的摩擦制動材料及治理海洋污染的凈化設備等。截至20世紀,我國陸續(xù)發(fā)射成功數(shù)10顆各種類型的人造衛(wèi)星,并且已經(jīng)成為世界上第三個掌握衛(wèi)星回收技術(shù)的國家