玻璃纖維及其制品的應用與發展

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1. 江西服裝學院，江西 南昌 330201；2. 江西省現代服裝工程技術研究中心，江西 南昌 330201

1 玻璃纖維

1.1 定義

玻璃纖維主要以天然無機非金屬礦石為原材料，包括葉蠟石、石英砂、石灰石等，將它們按一定的比例混合，經過高溫熔融、拉絲等多道煉制工藝制成。因此，玻璃纖維是一種無機非金屬材料，其具有很多優異的性能，如質量輕、強度高、隔熱性好、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣性能好等，通常被作為增強材料用于復合材料中，產品被廣泛應用于各行各業。

1.2 生產方法

玻璃纖維的生產方法主要有兩種——連續纖維拉絲法及定長纖維拉絲法。其中，連續纖維拉絲法通常在利用玻璃纖維制作增強復合材料時用到，該方法又可細分為坩堝拉絲法和池窯拉絲法兩種。坩堝拉絲法是將精選的石灰石、石英砂、氧化鋁、碳酸鎂等原料碾碎后，按照要求均勻混合調配好，放入1 500 ℃的玻璃池窯中經歷高溫熔融，煉制成玻璃球，再進行質量檢查，剔除劣質玻璃球后，繼續熔融優質玻璃球，最后煉制成連續玻璃纖維的。池窯拉絲法是先確定所需的原料種類，再計算出這些原料種類的配比，然后將這些原料粉碎，按照計算好的配比混合均勻，放入1 500 ℃的玻璃池窯中經歷高溫熔融，煉制成玻璃后拉絲形成玻璃原絲的。可再將玻璃原絲加捻、整經后織造成所需的玻璃纖維布。坩堝拉絲法能耗高，污染環境。池窯拉絲法相較于坩堝拉絲法，前者能耗降低，且減少了對環境的污染，所生產出的玻璃纖維性能更穩定，因此池窯拉絲法應用更加廣泛。

1.3 分類

玻璃纖維的分類方法有很多種：

(1) 根據生產時選擇的原材料的不同，可將玻璃纖維分為無堿、中堿、高堿及特種玻璃纖維；

(2) 根據纖維外觀的不同，可將玻璃纖維分為連續玻璃纖維、定長玻璃纖維、玻璃棉；

(3) 根據單絲直徑的差異，可將玻璃纖維分為超細纖維(直徑小于4 μm)、高級纖維(直徑在3～10 μm)、中級纖維(直徑大于20 μm)、粗纖維(直徑在30 μm左右)。

(4) 根據纖維性能的不同，可將玻璃纖維分為普通玻璃纖維、耐強酸強堿玻璃纖維、耐強酸玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、高強度玻璃纖維等。

1.4 性能

化學性能方面，玻璃纖維耐酸、耐堿、抗紫外線、抗老化，且防蛀、防霉性能好；物理性能方面，玻璃纖維直徑小，密度與鋁相近，吸濕性小，導熱系數小，尺寸穩定性、阻燃性、隔聲性、耐熱性好，電絕緣性能優異；力學性能方面，玻璃纖維高強、高彈、性脆，耐磨性差。

基于上述玻璃纖維在物理、化學和力學方面的性能表現，其可用來制作增強材料、隔聲材料、阻燃材料、絕緣材料、過濾材料、光導材料等[1]。

2 玻璃纖維及其制品的應用

2.1 玻璃纖維的應用

2.1.1 玻璃纖維與碳纖維復合

由玻璃纖維與碳纖維復合的摩擦材料，耐磨性非常好，且具有較高的比強度、比模量。之所以將玻璃纖維和碳纖維復合制作摩擦材料，是因為玻璃纖維具有高拉伸強度、耐腐蝕、耐高溫等優異性能，利用玻璃纖維可提升玻璃纖維/碳纖維復合摩擦材料的力學性能、化學性能和物理性能。此外，碳纖維優異的熱膨脹系數等特性還可提升摩擦材料的硬度。因此，將玻璃纖維和碳纖維合理地結合起來，可制造出性能優良的摩擦材料(圖1)。且當碳纖維的質量分數為9.0%、玻璃纖維的質量分數為8.0%時，摩擦材料的摩擦性能達到最佳[2]。這種摩擦材料可廣泛應用于汽車輪胎等需忍受長時間、高強度摩擦的部件上。

圖1 汽車剎車片用增強材料——玻璃纖維

2.1.2 玻璃纖維與鋁合金復合

玻璃纖維-鋁合金層疊板(圖2)是一種由玻璃纖維增強復合材料和鋁合金組成的混雜結構材料[3]。該材料利用了鋁合金優異的加工性、抗沖擊性和玻璃纖維的高強度、耐疲勞特性，彼此取長補短、互相結合，產品具有防火、防雷擊、隔聲效果好、耐腐蝕、抗疲勞性能優異等特性。該材料可用作飛機的疲勞結構機件，是一種新型的航空結構材料。

圖2 玻璃纖維-鋁合金層疊板

2.1.3 玻璃纖維與磷酸鎂水泥復合

將玻璃纖維與磷酸鎂水泥復合可改善磷酸鎂水泥的韌性[4]，且這種水泥具有優異的力學性能和良好的阻燃性能，可用作建筑材料。當玻璃纖維的體積分數為2.5%時[5]，可以極大程度地提高磷酸鎂水泥的抗壓強度。普通的磷酸鎂水泥被浸濕后，其對路面的抗彎強度和抗壓強度會減弱，而將體積分數為2.5%的玻璃纖維與磷酸鎂水泥復合后，可以有效地防止這種減弱。

2.1.4 玻璃纖維增強樹脂基復合材料

利用樹脂作為基體材料、玻璃纖維作為增強材料，可得到一種強度高、耐腐蝕性好、電絕緣性能優異且質量輕[6]的新型材料，產品可廣泛應用于體育用品、航空航天、汽車、輸電線路建設等領域。例如：航空航天領域的發動機殼體與風扇(圖3)、熱防護材料、飛機副翼、方向舵等；汽車領域的汽車座椅、保險杠、車內頂、發動機罩、擋泥板等；體育用品領域的網球拍、羽毛球拍、滑雪板等[7]。

圖3 發動機的風扇

2.1.5 玻璃棉

玻璃棉的體積密度很小，易成形且保形性好，具有良好的保溫性、透氣性，可蓄熱、隔熱，此外還具有良好的隔聲功能，耐用性好。化學性能方面，玻璃棉防霉防蛀性能好，耐腐蝕，化學性質穩定。力學性能方面，玻璃棉結構牢固，抗拉抗震性能好。基于此，玻璃棉被廣泛用作保溫、隔熱、隔聲等材料[8]。

2.1.6 玻璃纖維紙

玻璃纖維紙阻燃性好、隔聲效果好、保溫性好、過濾能力強，現已被廣泛應用于建筑、航海、航天航空等領域[9]。其中，當玻璃纖維紙中玻璃纖維質量比為粗纖維∶細纖維=1∶1時，其保溫、隔聲性能最好[10]。

2.1.7 玻璃纖維布

玻璃纖維布防紫外線性能好、絕緣性能好、強度高、耐高溫、表面整潔光亮、不易黏上污物，且耐氣候性能與耐腐蝕性能好，化學性能穩定。

將玻璃纖維布和環氧樹脂膠黏劑結合，可用作黏接修復PVC-U管道的修復材料。“玻璃纖維/PVDF”鋰離子電池復合膜綜合了玻璃纖維布的高強、耐腐蝕和PVDF膜小孔隙的特性，有效提高了鋰離子的傳導、增大了放電比容量，滿足了動力電池的快速充放電需求[11]。

此外，玻璃纖維布因具有質量很小、耐化學腐蝕性能好、耐摩擦性能好、高強高模等特性，可用于加固混凝土，提高混凝土材料的凝聚力，使建筑物更耐用。

2.1.8 玻璃纖維薄氈

玻璃纖維薄氈具有尺寸穩定性良好、抗撕拉性能好、吸聲性能優異、阻燃性好、耐化學腐蝕性好、耐氣候性能好、耐高溫性能好、化學性能穩定等特性，可用作建筑屋面用的增強材料，隔聲、防火的天花板，地板革的芯材，延長路面壽命的鋪路氈，絕熱、隔聲的汽車頂襯等。

以玻璃纖維布和玻璃纖維薄氈等為增強材料、以PVC 樹脂為基體，可制作出預成型標線材料[12]。這種材料具有極好的延伸性、柔韌性、耐磨性、耐水性、耐氣候性等，可應對變幻多端的氣候。且這種材料能夠很好地與地面黏結，可長時間地保留在路面上，使用壽命長，能有效提高道路建設的工作效率。

2.2 玻璃鋼的應用

2.2.1 玻璃鋼的基本性能

玻璃鋼制品物理性能好，如表面光滑、質量小、耐高溫、防水性好、熱傳導系數低、絕緣性好等；力學性能優良，如耐壓、強度高等；化學性能穩定，如耐腐蝕性好、抗老化性好等。基于玻璃鋼具有諸多優良性質且耐用、制作工藝簡易、對環境不會造成嚴重的污染，其產品被廣泛用作電絕緣材料、儲存材料、保溫材料等。

2.2.2 玻璃鋼用作濕法煙氣脫硫裝置材料

玻璃鋼導熱系數小，具有耐超高溫、絕緣性好、防水、耐化學腐蝕、力學性能好等特性，可用作濕法煙氣脫硫裝置材料[13]。脫硫過程對設備用材料要求極高，最基本的要求就是耐腐蝕、耐超高溫、耐急驟降溫等。過去，脫硫裝置用的材料是高鎳合金，這種材料價格非常昂貴，故應用受限[14]。玻璃鋼不僅能滿足脫硫過程中的條件要求，而且價格較便宜，還能防止因高溫熱震造成的熱破壞和分層，脫硫效果更好，且利用率高、材料性質穩定、使用壽命長。

總之，在脫硫裝置材料的選擇上，玻璃鋼的性價比更高。例如，利用酚醛環氧型乙烯基樹脂制作的玻璃鋼，即使在200 ℃的高溫熱震下，也能有效地防止熱破壞與分層，抗震性能極高。

2.2.3 玻璃鋼儲罐

玻璃鋼儲罐化學性質穩定，不易與儲罐內的物質發生化學反應，不易被腐蝕，可儲存各種化學物質，性能遠優于金屬儲罐。玻璃鋼的密度大約是鐵的1/4，所以玻璃鋼儲罐的質量遠小于同規格鋼儲罐的質量，這極大程度地提高了玻璃鋼儲罐的運輸效率。玻璃鋼儲罐導熱系數小于0.3 W/(cm·℃)，約是鋼儲罐導熱系數的1/233，所以玻璃鋼儲罐的保溫性能優異。玻璃鋼儲罐內壁整潔、光滑，不易沾黏污物，日常清潔方便，這極大程度地方便了玻璃鋼儲罐的日常使用。玻璃鋼儲罐的電絕緣性能優異，電阻約為1 000 Ω·cm，可投放在雷電多發區使用。玻璃鋼儲罐的使用壽命大約是金屬儲罐使用壽命的10倍，使用過程中維修保養方便。總之，與金屬儲罐相比，玻璃鋼儲罐性價比更高，使用更廣泛，有逐漸取代金屬儲罐之勢，其中油田用玻璃鋼儲罐更是被廣泛使用[15]。

2.3 鈉鈣玻璃基板

電子設備一直在朝著運行高速化、質量輕薄化、形狀扁平化的方向發展，信息的傳輸速度和傳輸量在不斷增加。鈉鈣玻璃基板(圖4)專為觸摸屏而設計，其厚度僅為2.8 cm，很薄、很輕，可應用到平板電腦、智能手機等電子設備上，大幅縮減了電子設備的質量和體積[16]。

圖4 鈉鈣玻璃基板

3 結語

近年來，人們對玻璃纖維的需求量越來越大，玻璃纖維的發展也越來越快。2012年我國玻璃纖維行業銷售收入為1 060億元，2016年上升至1 725億元，2012—2016年復合增長率達12.95%。2016年玻璃纖維總產量達到362萬t，其中池窯紗的產量達340萬t，約占總產量的94%，可見池窯拉絲法應用廣泛[17]。玻璃纖維主要應用于建筑、電子電氣、交通運輸、管道、過濾除塵、海洋工程、航天航空、風力發電等領域，其中在建筑、電子電氣、交通運輸領域的應用已超過70%。經過多年的發展，我國玻璃纖維的產值現已居全球首位，但我國生產的玻璃纖維制品的品質與一些發達國家相比，還是有一定的差距的。今后，可通過提高玻璃纖維的生產水平、實現玻璃纖維生產轉型升級、加大新型玻璃纖維研發投入力度、掌握高端技術、培養專業人才、提升生產設備、精簡工藝流程、提高產業效率、拓寬應用領域等措施，提升我國玻璃纖維制品的品質和性能，早日使我國成為玻璃纖維的生產強國。