玻璃纤维
王移丽
新疆大学大学纺织与服装学院，新疆乌鲁木齐830046
关键词玻璃纤维；制备；性能；应用；表面处理
引言
玻璃纤维是无机非金属材料中的一种新型功能材料和结构材料。由于具有耐高温性能好、抗腐蚀性强、强度高、吸湿性低、延伸小及绝缘性好等一系列优异特性，目前已广泛应用于电子、通讯、核能、航空、航天、兵器、舰艇及海洋开发、遗传工程等高新技术产业，成为我国21世纪不可缺少的可持续发展的高新技术材料。
1概述
1.1玻璃纤维的概况
玻璃纤维工业自1938年创立以来，其产量、生产工艺、品种规格和应用领域在不断发展，自20世纪60年代，玻璃纤维在飞机上就获得了应用，但由于当时的价格昂贵、工艺性能欠佳等原因，未能获得进一步的发展和重视。后来随着技术的改进和应用领域的扩大，玻璃纤维越来越多地用于军事方面，特别是航天、航空工业，约占航天航空用的增强纤维中的67.7%。随后，其应用范围日益扩大，如体育器具、建筑构件、轻工制品、化工管道、车工业、医疗器械、舟艇船舰等都已普遍采用玻璃纤维及其复合材料。自20世纪80年代以来，其年均增长率高达10%左右。
1.2玻璃纤维的结构
玻璃纤维是无定形的无机材料，由氧化硅及其它氧化物组成。硅、硼、磷等元素的氧化物构成网络结构，而钠、钾、钙、镁等金属氧化物中的金属离子，填入网络中的空隙，对玻璃的性质起着重要作用，其中微量金属离子，如钛、铍等元素起到改性剂的效果，使玻璃纤维具有所要求的特性。硅酸钠玻璃纤维的结构如图1所示[1]
。
图1硅酸钠玻璃纤维结构示意图
1.3玻璃纤维的分类
1.3.1按其化学组成分类
（1）无碱玻璃纤维：是指化学组成中碱金属氧化物含量0%～2%的铝硼硅酸盐成分的玻璃纤，其特点是具有良好的电气绝缘性，耐水性、机械强度都比较好，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，其缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境，称为E-玻纤。
（2）中碱玻璃纤维：是指化学组成中金属氧化物含量为8%～12%左右的钠钙硅酸盐体系的玻璃纤维，其耐酸性好，机械强度为无碱玻璃纤维的75%左右，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产，其价格低于无碱玻璃纤维。这类玻璃纤维常选用含硼、钙高，含碱低的成分，耐水、耐酸性较强，称为C-玻纤。
（3）高碱玻璃纤维：是指化学组成中金属氧化物含量为14%～17%的钠钙玻璃体系的玻璃纤维，这种玻璃纤维含碱量高，故机械强度较差、耐水性差、耐酸性好。其原料来源方便，还可利用平板、瓶罐等碎玻璃制成，成本低廉，可作蓄电瓶隔离片、管道包扎布、沥青油毡基布等。这种玻璃纤维因碱含量较
高，称为A-玻纤。
（4）特种玻璃纤维：它是指化学组成适应特殊用途的玻璃纤维，如高弹性模量玻璃纤维(M-玻纤）引入BeO、Li 2O、ZrO 2、TiO 2、；防辐射玻纤引入PbO、ZrO 2、BeO、Ta 2O 5、WO 3等。1.3.2按其纤维形态分类
（1）连续玻璃纤维：它是指熔融玻璃液从漏板小孔流出后，由外力拉引成无限长的无机纤维。一般单丝直径为3～9m的细纤维可供纺织加工成玻璃纱、布、带等；单丝直径为10～19m的纤维可制成无纺或少纺制品，如无捻粗纱、布、薄毡等；还有大部分连续纤维用来增强聚合物复合材料。由于连续纤维基本都要经过纺织加工，所以又称纺织玻璃纤维。
（2）定长玻璃纤维：它是指长度有限，一般为300～500mm左右，俗称长棉。可做成毛纱并加工成毛纱织物，也可做成薄毡，用作防水材料、过滤材料及隔热材料。
（3）玻璃棉：玻璃棉也是一种定长纤维，其长度在150mm左右或者更短；形态上蓬松，类似棉絮，也称短棉。可用离心力或气流喷吹制得玻璃棉。纤维直径小于3mm的称超细绵，3～6mm的称细棉，可制成棉毡、板、纸等制品，是高效能的保温材料。
2玻璃纤维的制备
汽车隔热棉
按照不同的玻璃纤维要求，把硅砂、石
英、硼酸及粘土等原料按不同的比例混合，送入高温炉中融炼，制成玻璃熔融体，靠自重从喷丝板的小孔中流出，冷却成形的同时，快速地卷绕而得到玻璃长纤维。典型的生产装置如图2所示。这种方法类似于化学纤维的熔融纺丝，炉中的熔融温度随玻璃的成分不同稍有变化，一般在1100℃～1300℃左右。
玻璃短纤维用长丝切断法制成，也可由熔
融玻璃直接从喷嘴中吹出，在高速气流下玻璃熔体细化冷却，发生断裂，收集吹落的玻璃短纤维即可，也常称为玻璃棉[2]
。
图2玻璃纤维的生产装置图[3]
3玻璃纤维的性能与应用
3.1玻璃纤维的性能
3.1.1物理性能
表1给出了玻璃纤维、碳纤维和部分常用
纺织纤维及金属材料的主要性能[4]。
表1玻璃纤维与其他纺织纤维及金属材料的主要性能
材料种类密度（g/cm 3
）
断裂强度（N）伸长率（%）
玻璃纤维
2.541370～14702～3棉 1.5255～6867～10蚕丝 1.25392～520 1.3～31锦纶 1.1444～58826～32碳纤维 1.82790～3100 1.5～1.6铝 2.7127～1774～8钢
7.8
363～441
20～30
由表1可以得出，玻璃纤维的物理性能主要包括四个方面：
（1）断裂强度。与普通纺织产品相比，玻璃纤维所具备的断裂强度较强，其拉伸强度显著，而在重量相等的情况下，玻璃纤维所具备的断裂强度要比普通的金属如钢丝等高出3倍以上。
（2）硬度。与锦纶相比，玻璃纤维所具备的硬度要高15倍，而这种高强度的硬度通常与其自身的脆性进行有机结合，进而产生较明显的低弯曲阻抗性。
（3）密度。与有机纤维材料相比，玻璃纤维所具备的密度比较高，但与金属纤维相比，玻璃纤维所具备的密度则相对比较低。
（4）尺寸稳定性。与其他纤维产品相比，玻璃纤维所具备的身长度比较低，仅有3%，因此其很难随着温度的变化而变化，其尺寸具备较高的稳定性。3.1.2化学性能
作为无机纤维中重要的材料，玻璃纤维不仅具备较高的耐热性，且其自身无法进行燃烧，因此可以作为有效的绝热保温材料，这是玻璃纤维与其他纺织纤维的不同之处。玻璃纤维所具备的导热系数通常比较小，比其他纺织纤维要小很多，因此其可以充当重要的隔热工具，如容器隔热或管道隔热。同时玻璃纤维可有效阻抗酸或碱等入侵，其受腐蚀性化学产品的影响较小。在玻璃纤维中，其所具备的电性能与其自身存在的化学成分有着密切的关系，而其自身的碱氧化物是决定其电性能的主要因素之一。此外玻璃纤维还具有耐老化、防腐、防霉、抗紫外线辐射等性能。
3.2玻璃纤维的应用
3.2.1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:
（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[5]。
3.2.2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。
（1）玻璃纤维制品作为过滤材料，特别在高温气体过滤方面占有重要一席。以纸、机织物、毡(蓬松毡、棉毡、针刺毡等)及复膜形态，用于不同含污染物性质和要求净化程度的气体过滤、已大批量用于碳
黑、水泥、冶金工业以及焚烧烟气的除尘净化。也用于人防工程、防毒工具，车辆空调的空气过滤和超净化室的空气处理，还可以使过滤兼有杀菌、除异味效果。最近还开发了可用来吸收环境污染物的玻纤织物。基于玻纤制品的化学稳定性和高的过滤效率，也被用于润滑油、重水、饮料等液体的过滤净化。超细玻璃纤维还被用于生产系列实验室用精品过滤器。
（2）在地理环境保护方面应用开发有：和有机纤维材料结合加工成土工材料用于防水土流失；将玻纤喷洒在地上可形成弹性的多孔毡，从而保护刚播种的农田免遭冲刷；玻璃棉毡做为无土栽培的载体使制品具有更好的性能，满足更广泛的使用要求。
（3）使玻纤成为介质、催化剂、试剂和生物的载体，从而在蓄电池，精细化工及生物试验、检测等领域使用。
（4）利用玻纤在增强材料中导光、导电性随应力，温度的变化，作为“机敏”材料，从而推动复合材料更经济、安全乃至智能化的使用。
3.2.3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。
（1）光导玻璃纤维在医疗方面的应用有：用传光束、传像来对人体器官的内窥检查和辅助，包括刺激穴位、止血、切开组织、灼烧病变组织等，运用光纤维对血液进行光照射，以稀释血液；用于光固化补牙等。
（2）玻璃纤维试纸。基于其化学稳定性和抗菌性，可用作试剂载体，与专用试剂一起做成试条，用于检查，如血液组分检查等；也可用作过滤血液，如从血液中滤除白细胞和固体组成，也用于分离血浆和血清；还在一些对人体血、液、尿的检验专用仪器中使用。
（3）外、骨科。医用绷带，玻纤编织成具有延伸性带，浸渍专用树脂当作绷带，缠在伤处固定骨肢，克服了敷石膏的麻烦和副作用；玻纤复合材料人造骨正在积极开发中，一些无毒不会引起炎性反应又具有骨生物活性的复合材料已通过动物试验，证明有理想的生物相容性，与原骨之间结合强度比不锈钢还高，预期会获得应用。
3.2.4玻璃纤维增强材料的应用
在玻璃纤维的总产量中，约有70％用作复合材料的增强材料，其中主要用于塑料增强。玻璃纤维增强塑料（即玻璃钢）是以合成树脂为基体，以玻璃纤维及其制品为增强材料制成的，具有优良的比强度、刚度、耐气候性、耐腐蚀性和耐用性，其主要应用方面有：
（1）汽车、火车和船艇方面的应：用玻璃钢用于汽车车身的最大优点是减轻重量。与钢材相比，玻璃钢能使很多部件减重35%之多。其他特性还有：刚度高，能量吸收性好，不锈，防腐，不易产生压痕和擦伤，设计灵活等。汽车工业是玻璃钢的最大市场之一，采用玻璃钢的汽车部件有：进气歧管、发动机罩、保险杠、横梁、车门板、仪表板、隔热板等。使用玻璃钢部件的轨道车辆有：高速火车、轻轨列车和地铁，主要优点有：减轻重量，降低能耗；使刹车和启动时能耗降低：提供优良的强度和刚度性能指标；玻璃钢适用于各种船只的设计和制造，其特点是重量轻、强度高、耐腐蚀、防水浸、维护量小。
（2）建筑和基础设施方面的应用：混凝土是世界上用得最广泛的建筑材料，但它有一个重大的缺陷：当它的压缩强度较高的时候，其拉伸强度则非常有限。通常利用钢筋来克服这一缺点，但是在腐蚀性很强的环境中，钢筋腐蚀会导致混凝土开裂和剥落，最终引起构筑物毁坏。用
玻璃钢代替钢做混凝土筋材，具有重量轻、屈服强度和弹性模量高、不生锈、耐腐蚀、防磁性能好等优点。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。
（3）航空航天方面的应用：由于刚度关系，航空结构的外部通常多用非玻璃纤维的增强材料，但较小飞机的外部机身则可采用玻璃纤维增强。玻璃钢在航空器中的成功应用是商用飞机的内部器件，如波音747飞机上层客舱的舱顶板等。在航天和军事工程方面，玻璃钢早就用作火箭、导弹的外壳或其发动机
的外壳。玻璃钢还在人造地球卫星和电视卫星等方面获得了应用，玻璃纤维材料从我国神舟2号开始直到神舟7号载人飞行均获得了成功应用.。
（4）能源开发方面的应用：能源开发是玻璃钢较新的应用市场，主要有风力发电、海上采油采气等。玻璃钢叶片已广泛用于岸上和海上的风力发电项目。叶片制造商采用的玻纤原材料有短切原丝毡、连续原丝毡、无捻粗纱、单向和多轴向的缝编布和机织布等。海上石油和天然气的开采是前景广阔的工业，也是应用玻璃钢的新兴市场。玻璃钢产品耐腐蚀、耐紫外线照射、耐热阻燃、轻质高强，这些特性都符合海上苛酷环境的要求。
4玻璃纤维的表面处理
玻璃纤维增强树脂基复合材料，是目前技术比较成熟且应用广泛的一类复合材料，具有良好的易成型性、绝缘性能好、抗腐蚀和疲劳损伤等优异性能和低廉的成本。由于玻璃纤维与树脂基体之间的模量相差很大，且二者间不易润湿，所以其复合材料界面结合较弱。为了充分发挥其承载作用，应提高玻璃纤维与树脂基体的相容性、浸润性和反应性，在纤维和基体间制备性能优异的界面层。
4.1玻璃纤维常用表面处理方法
4.1.1热处理
热处理就是利用高温使玻璃纤维表面的原有胶料氧化分解，同时除去玻璃纤维由于储存而吸附的水。如果是纺织型浸润剂处理的玻璃纤维，高温下还可除去其润滑油。刘雄亚[6]发现热处理的最佳温度为350℃，处理时间为6s，可除去玻璃纤维的吸附水或润滑剂。Li[7]等认为热处理的最佳温度为450℃，处理时间为1h，还应将经过热处理的玻璃纤维在肥皂水中超声清洗5min，并用蒸馏水清洗。热处理法工艺简单、实用，但是单独使用效果欠佳，一般都作为玻璃纤维表面处理的预处理工序，与其它表面处理方法配合使用。
4.1.2酸碱刻蚀处理
刻蚀处理是通过酸碱在纤维表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔，使玻璃纤维表面产生大量的Si-OH键，待纤维与基体复合时，一些高聚物的链段进入到空穴中，起到类似锚固作用，增加了玻璃纤维与聚合物界面之间的结合力，同时增加了玻璃纤维表面具有反应性硅烷醇的数量，此种方法的最终处理效果主要与酸碱种类、浓度、处理时间和处理温度有关[8]。
4.1.3偶联剂处理
偶联剂的结构通式可表示为:(RO）x-M-A y，其中RO代表亲无机基团的易水解或交换反应的短链烷氧基，可与玻纤表面发生化学反应；M代表中心原子(Si、Ti、Al、B等；A代表与中心原子结合稳定的亲有机基团的长链分子(酯酰基、长链烷基等)，它能扩散和溶解于聚合物的界面区，与聚合物链发生缠结和
反应并与基体有很好的相容性。从其结构看，偶联剂具有在玻璃纤维表面与树脂之间形成化学键的功能，在树脂基复合材料中起架桥作用，用偶联剂处理玻纤表面能够改善纤维与基体之间的润湿性，形成一个力学上的微缓冲区，提高了界面之间的粘结力，能显著提高复合材料的综合性能，并可延长复合材料的使用寿命，降低玻璃纤维自身的吸水性[9]。偶联剂的种类很多，不同的偶联剂对复合材料力学性能有不同的影响，增强玻璃纤维表面处理中研究最多的偶联剂是硅烷偶联剂，铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂也有研究[10]。
4.2其他表面处理方法
4.2.1等离子体表面处理
等离子体是具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态采用等离子体聚合技术改善玻璃纤维的浸润性和表面粗糙度，但在提高复合材料强度的同时造成了模量下降。V.Cech等发现分别经氩等离子体和乙烯基三乙氧基硅烷处理的玻璃纤维增强聚酯复合材料的界面剪切强度基本一致，但低于单独使用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(A-174)处理的IFSS70.8%；A-174处理后的玻璃纤维再经氩等离子体处理，其复合材料的层间剪切强度下降了50%。李志军[11]发现，等离子体会使玻璃纤维表面的官能团发生变化，并在纤维表面产生轻微刻蚀，提高了基体对玻璃纤维的浸润状况，复合材料界面黏合增强。采用等离子体处理的玻璃纤维，其复合材料力学性能比未处理的高2～3倍，还能改善耐湿热稳定性。
4.2.2稀土元素处理
稀土元素通过化学键合与物理吸附被吸附到玻璃纤维表面并在靠近纤维表面产生畸变区,
吸附在玻璃纤维表面上的稀土元素改善了玻璃纤维与基体的界面结合力。但是过多的稀土元素，会减弱了界面结合力并导致复合材料拉伸性能下降。程先华和薛玉君[12-13]研究了SGS(含1.0%氨基硅烷偶联剂SG-Si900的酒精溶液)、RES(含稀土元素0.1%～0.8%的酒精溶液)和SGS/RES(含1.0%SG-Si900和稀土元素的酒精溶液)三种表面改性剂处理玻璃纤维的最佳用量及其对玻璃纤维增强PTFE复合材料冲击磨损和拉伸性能的影响，结果发现RES比SGS/RES和SGS能够更好地提高玻璃纤维与PTFE之间的界面结合力和提高复合材料的摩擦磨损性能，且当稀土元素在表面改性剂中的质量分数为0.3%时复合材料的拉伸性能最佳。
4.2.3表面二次接枝处理
硅烷偶联剂表面处理的实质就是通过化学键合将硅烷偶联剂接枝到玻璃纤维表面。表面二次接枝处理就是在已接枝上的硅烷偶联剂或其它小分子上再次接枝的处理方法。Li等先用3-溴丙基三氯硅氧烷对玻璃纤维进行表面处理，与玻璃纤维表面形成化学键合，然后利用3-溴丙基三氯硅氧烷中溴的反应性与苯胺反应，再在苯胺上接枝聚苯胺[14]。
5展望
玻璃纤维作为应用最广泛之一的产业用纺织品，由于具有技术含量高、劳动生产率高、产品性能独特和用途广泛等特点，在国民经济的各个领域得到了广泛应用，成为许多行业和部门不可缺少的一种新型材料，成为衡量一个国家和地区纤维制品加工工业发展水平和工业化程度的重要标志。
我国玻璃纤维起步于20世纪50年代，经过50余年的努力，也有着非凡的发展。据资介绍，2000年左右我国玻璃纤维产量占世界总产量的1/10，排名第5、6位2007年我国玻璃纤维总产量占世界产量的1/3，排名第一，同时我国的中国巨石集团有限公司及中国泰山玻纤股份有限公司分别为世界玻璃纤维公司排名的第三、第五名。
由于以下几方面因素，我国玻璃纤维产业有着很好的发展空间。
（1）玻纤市场供不应求因素，在缠绕和SMC等FRSP产品生产中，玻纤缺口量在20%左右；增强塑料和工程塑料的发展推动FRTP的快速发展也使玻纤供应不足；覆铜板工业的发展，使我国成为世界CCL制造基地，也对玻纤基材的需求快速增长。
（2）我国成功实现了世界玻璃纤维制造基地的转移，出口增长率一直保持较高的比例。如2002年我国出口量为16万吨，2006年增长为79万吨。
（3）节能减排的战略决策推动玻璃纤维市场的发展。能源利用方面，风能中FRP叶片和机罩的应用以
及FRP在沼气池中的推广；节能方面，交通领域车船的轻量化都促使了玻纤复合材料的进一步发展。防腐和“三废”治理中,FRP 塔、筒也得到迅速的推广使用。
6参考文献
参考文献
[1]JW SH earle.高性能纤维[M].北京：中国纺织出版
社,2004
[2]乔欣，崔淑玲，夏勇.几种无机纤维的制备及应用
介绍[J].非织造布201018(3):27-31
[3]王曙中，王庆瑞，刘兆峰.高科技纤维概论[M].
上海：东华大学出版社,2003.
[4]徐凤，聂琼，徐红.玻璃纤维的性能及其产品的开发.
轻纺工业与技术,2011，40(5):40-41
[5]刘新年，张红林，贺祯等.玻璃纤维新的应用领域及
发展[J].陕西科技大学学报,2009,5(27):169-171.
[6]刘雄亚，谢怀勤.复合材料工艺及设备.武汉：武
汉工业大学出版社,1997
[7]Li Z F,Ruck en stein E.Strong Adhesion and Smooth
Conductive Surface Via Graft Polymerization of Aniline on a Modified Glass Fiber Surface[J].Journal of Colloid and Interface Science,2002,251:343-349.
[8]曹淑伟，张大海，管艳丽等，玻璃纤维表面处理技术
研究进展[J].宇航材料工艺,2009(1):5-7
[9]王文广，田雁晨，等.塑料配方设计(第二版)[M].
北京：化学工业出版社,2004:42-45.
[10]王彦林，徐元清，刘志国，等.阻燃增塑剂IPP的合
成[J].塑料工业,2002,30(4):13-14.
[11]李志军，程光旭，韦玮.离子体处理在玻璃纤维增强
聚丙烯复合材料中的应用[J].中国塑料,2000;
14(6):45-49.
[12]程先华，薛玉君，谢超英.稀土元素表面处理对玻璃
纤维填充金属-塑料多层复合材料冲击磨损性能的影响[J].中国稀土学报,2001,19(4):373-375. [13]薛玉君，程先华.稀土元素表面处理玻璃纤维增强
PTFE复合材料的拉伸性能[J].中国稀土学报, 2002,20(1):41-44.
[14]王赫，刘亚青，张志毅等玻璃纤维表面处理技术的
研究进展[J].绝缘材料2007,40(5):35-37.
发布评论