玻璃纤维及其制品的应用与发展

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1. 江西服装学院，江西 南昌 330201；2. 江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌 330201

1 玻璃纤维

1.1 定义

玻璃纤维主要以天然无机非金属矿石为原材料，包括叶蜡石、石英砂、石灰石等，将它们按一定的比例混合，经过高温熔融、拉丝等多道炼制工艺制成。因此，玻璃纤维是一种无机非金属材料，其具有很多优异的性能，如质量轻、强度高、隔热性好、耐高温、耐腐蚀、电绝缘性能好等，通常被作为增强材料用于复合材料中，产品被广泛应用于各行各业。

1.2 生产方法

玻璃纤维的生产方法主要有两种——连续纤维拉丝法及定长纤维拉丝法。其中，连续纤维拉丝法通常在利用玻璃纤维制作增强复合材料时用到，该方法又可细分为坩埚拉丝法和池窑拉丝法两种。坩埚拉丝法是将精选的石灰石、石英砂、氧化铝、碳酸镁等原料碾碎后，按照要求均匀混合调配好，放入1 500 ℃的玻璃池窑中经历高温熔融，炼制成玻璃球，再进行质量检查，剔除劣质玻璃球后，继续熔融优质玻璃球，最后炼制成连续玻璃纤维的。池窑拉丝法是先确定所需的原料种类，再计算出这些原料种类的配比，然后将这些原料粉碎，按照计算好的配比混合均匀，放入1 500 ℃的玻璃池窑中经历高温熔融，炼制成玻璃后拉丝形成玻璃原丝的。可再将玻璃原丝加捻、整经后织造成所需的玻璃纤维布。坩埚拉丝法能耗高，污染环境。池窑拉丝法相较于坩埚拉丝法，前者能耗降低，且减少了对环境的污染，所生产出的玻璃纤维性能更稳定，因此池窑拉丝法应用更加广泛。

1.3 分类

玻璃纤维的分类方法有很多种：

(1) 根据生产时选择的原材料的不同，可将玻璃纤维分为无碱、中碱、高碱及特种玻璃纤维；

(2) 根据纤维外观的不同，可将玻璃纤维分为连续玻璃纤维、定长玻璃纤维、玻璃棉；

(3) 根据单丝直径的差异，可将玻璃纤维分为超细纤维(直径小于4 μm)、高级纤维(直径在3～10 μm)、中级纤维(直径大于20 μm)、粗纤维(直径在30 μm左右)。

(4) 根据纤维性能的不同，可将玻璃纤维分为普通玻璃纤维、耐强酸强碱玻璃纤维、耐强酸玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、高强度玻璃纤维等。

1.4 性能

化学性能方面，玻璃纤维耐酸、耐碱、抗紫外线、抗老化，且防蛀、防霉性能好；物理性能方面，玻璃纤维直径小，密度与铝相近，吸湿性小，导热系数小，尺寸稳定性、阻燃性、隔声性、耐热性好，电绝缘性能优异；力学性能方面，玻璃纤维高强、高弹、性脆，耐磨性差。

基于上述玻璃纤维在物理、化学和力学方面的性能表现，其可用来制作增强材料、隔声材料、阻燃材料、绝缘材料、过滤材料、光导材料等[1]。

2 玻璃纤维及其制品的应用

2.1 玻璃纤维的应用

2.1.1 玻璃纤维与碳纤维复合

由玻璃纤维与碳纤维复合的摩擦材料，耐磨性非常好，且具有较高的比强度、比模量。之所以将玻璃纤维和碳纤维复合制作摩擦材料，是因为玻璃纤维具有高拉伸强度、耐腐蚀、耐高温等优异性能，利用玻璃纤维可提升玻璃纤维/碳纤维复合摩擦材料的力学性能、化学性能和物理性能。此外，碳纤维优异的热膨胀系数等特性还可提升摩擦材料的硬度。因此，将玻璃纤维和碳纤维合理地结合起来，可制造出性能优良的摩擦材料(图1)。且当碳纤维的质量分数为9.0%、玻璃纤维的质量分数为8.0%时，摩擦材料的摩擦性能达到最佳[2]。这种摩擦材料可广泛应用于汽车轮胎等需忍受长时间、高强度摩擦的部件上。

图1 汽车刹车片用增强材料——玻璃纤维

2.1.2 玻璃纤维与铝合金复合

玻璃纤维-铝合金层叠板(图2)是一种由玻璃纤维增强复合材料和铝合金组成的混杂结构材料[3]。该材料利用了铝合金优异的加工性、抗冲击性和玻璃纤维的高强度、耐疲劳特性，彼此取长补短、互相结合，产品具有防火、防雷击、隔声效果好、耐腐蚀、抗疲劳性能优异等特性。该材料可用作飞机的疲劳结构机件，是一种新型的航空结构材料。

图2 玻璃纤维-铝合金层叠板

2.1.3 玻璃纤维与磷酸镁水泥复合

将玻璃纤维与磷酸镁水泥复合可改善磷酸镁水泥的韧性[4]，且这种水泥具有优异的力学性能和良好的阻燃性能，可用作建筑材料。当玻璃纤维的体积分数为2.5%时[5]，可以极大程度地提高磷酸镁水泥的抗压强度。普通的磷酸镁水泥被浸湿后，其对路面的抗弯强度和抗压强度会减弱，而将体积分数为2.5%的玻璃纤维与磷酸镁水泥复合后，可以有效地防止这种减弱。

2.1.4 玻璃纤维增强树脂基复合材料

利用树脂作为基体材料、玻璃纤维作为增强材料，可得到一种强度高、耐腐蚀性好、电绝缘性能优异且质量轻[6]的新型材料，产品可广泛应用于体育用品、航空航天、汽车、输电线路建设等领域。例如：航空航天领域的发动机壳体与风扇(图3)、热防护材料、飞机副翼、方向舵等；汽车领域的汽车座椅、保险杠、车内顶、发动机罩、挡泥板等；体育用品领域的网球拍、羽毛球拍、滑雪板等[7]。

图3 发动机的风扇

2.1.5 玻璃棉

玻璃棉的体积密度很小，易成形且保形性好，具有良好的保温性、透气性，可蓄热、隔热，此外还具有良好的隔声功能，耐用性好。化学性能方面，玻璃棉防霉防蛀性能好，耐腐蚀，化学性质稳定。力学性能方面，玻璃棉结构牢固，抗拉抗震性能好。基于此，玻璃棉被广泛用作保温、隔热、隔声等材料[8]。

2.1.6 玻璃纤维纸

玻璃纤维纸阻燃性好、隔声效果好、保温性好、过滤能力强，现已被广泛应用于建筑、航海、航天航空等领域[9]。其中，当玻璃纤维纸中玻璃纤维质量比为粗纤维∶细纤维=1∶1时，其保温、隔声性能最好[10]。

2.1.7 玻璃纤维布

玻璃纤维布防紫外线性能好、绝缘性能好、强度高、耐高温、表面整洁光亮、不易黏上污物，且耐气候性能与耐腐蚀性能好，化学性能稳定。

将玻璃纤维布和环氧树脂胶黏剂结合，可用作黏接修复PVC-U管道的修复材料。“玻璃纤维/PVDF”锂离子电池复合膜综合了玻璃纤维布的高强、耐腐蚀和PVDF膜小孔隙的特性，有效提高了锂离子的传导、增大了放电比容量，满足了动力电池的快速充放电需求[11]。

此外，玻璃纤维布因具有质量很小、耐化学腐蚀性能好、耐摩擦性能好、高强高模等特性，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 玻璃纤维薄毡

玻璃纤维薄毡具有尺寸稳定性良好、抗撕拉性能好、吸声性能优异、阻燃性好、耐化学腐蚀性好、耐气候性能好、耐高温性能好、化学性能稳定等特性，可用作建筑屋面用的增强材料，隔声、防火的天花板，地板革的芯材，延长路面寿命的铺路毡，绝热、隔声的汽车顶衬等。

以玻璃纤维布和玻璃纤维薄毡等为增强材料、以PVC 树脂为基体，可制作出预成型标线材料[12]。这种材料具有极好的延伸性、柔韧性、耐磨性、耐水性、耐气候性等，可应对变幻多端的气候。且这种材料能够很好地与地面黏结，可长时间地保留在路面上，使用寿命长，能有效提高道路建设的工作效率。

2.2 玻璃钢的应用

2.2.1 玻璃钢的基本性能

玻璃钢制品物理性能好，如表面光滑、质量小、耐高温、防水性好、热传导系数低、绝缘性好等；力学性能优良，如耐压、强度高等；化学性能稳定，如耐腐蚀性好、抗老化性好等。基于玻璃钢具有诸多优良性质且耐用、制作工艺简易、对环境不会造成严重的污染，其产品被广泛用作电绝缘材料、储存材料、保温材料等。

2.2.2 玻璃钢用作湿法烟气脱硫装置材料

玻璃钢导热系数小，具有耐超高温、绝缘性好、防水、耐化学腐蚀、力学性能好等特性，可用作湿法烟气脱硫装置材料[13]。脱硫过程对设备用材料要求极高，最基本的要求就是耐腐蚀、耐超高温、耐急骤降温等。过去，脱硫装置用的材料是高镍合金，这种材料价格非常昂贵，故应用受限[14]。玻璃钢不仅能满足脱硫过程中的条件要求，而且价格较便宜，还能防止因高温热震造成的热破坏和分层，脱硫效果更好，且利用率高、材料性质稳定、使用寿命长。

总之，在脱硫装置材料的选择上，玻璃钢的性价比更高。例如，利用酚醛环氧型乙烯基树脂制作的玻璃钢，即使在200 ℃的高温热震下，也能有效地防止热破坏与分层，抗震性能极高。

2.2.3 玻璃钢储罐

玻璃钢储罐化学性质稳定，不易与储罐内的物质发生化学反应，不易被腐蚀，可储存各种化学物质，性能远优于金属储罐。玻璃钢的密度大约是铁的1/4，所以玻璃钢储罐的质量远小于同规格钢储罐的质量，这极大程度地提高了玻璃钢储罐的运输效率。玻璃钢储罐导热系数小于0.3 W/(cm·℃)，约是钢储罐导热系数的1/233，所以玻璃钢储罐的保温性能优异。玻璃钢储罐内壁整洁、光滑，不易沾黏污物，日常清洁方便，这极大程度地方便了玻璃钢储罐的日常使用。玻璃钢储罐的电绝缘性能优异，电阻约为1 000 Ω·cm，可投放在雷电多发区使用。玻璃钢储罐的使用寿命大约是金属储罐使用寿命的10倍，使用过程中维修保养方便。总之，与金属储罐相比，玻璃钢储罐性价比更高，使用更广泛，有逐渐取代金属储罐之势，其中油田用玻璃钢储罐更是被广泛使用[15]。

2.3 钠钙玻璃基板

电子设备一直在朝着运行高速化、质量轻薄化、形状扁平化的方向发展，信息的传输速度和传输量在不断增加。钠钙玻璃基板(图4)专为触摸屏而设计，其厚度仅为2.8 cm，很薄、很轻，可应用到平板电脑、智能手机等电子设备上，大幅缩减了电子设备的质量和体积[16]。

图4 钠钙玻璃基板

3 结语

近年来，人们对玻璃纤维的需求量越来越大，玻璃纤维的发展也越来越快。2012年我国玻璃纤维行业销售收入为1 060亿元，2016年上升至1 725亿元，2012—2016年复合增长率达12.95%。2016年玻璃纤维总产量达到362万t，其中池窑纱的产量达340万t，约占总产量的94%，可见池窑拉丝法应用广泛[17]。玻璃纤维主要应用于建筑、电子电气、交通运输、管道、过滤除尘、海洋工程、航天航空、风力发电等领域，其中在建筑、电子电气、交通运输领域的应用已超过70%。经过多年的发展，我国玻璃纤维的产值现已居全球首位，但我国生产的玻璃纤维制品的品质与一些发达国家相比，还是有一定的差距的。今后，可通过提高玻璃纤维的生产水平、实现玻璃纤维生产转型升级、加大新型玻璃纤维研发投入力度、掌握高端技术、培养专业人才、提升生产设备、精简工艺流程、提高产业效率、拓宽应用领域等措施，提升我国玻璃纤维制品的品质和性能，早日使我国成为玻璃纤维的生产强国。