玻璃纤维的性能、制造工艺和典型应用

什么是玻璃纤维？

玻璃纤维因其成本效益和良好的性能而被广泛应用，主要用于复合材料行业。早在18世纪，欧洲人就已经意识到玻璃可以纺成编织用纤维。法国皇帝拿破仑的棺材中已经有玻璃纤维制成的装饰织物。玻璃纤维既有长丝，也有短纤维或絮状物。玻璃长丝通常用于复合材料、橡胶制品、输送带、防水油布等。短纤维主要用于无纺布毡、工程塑料和复合材料。

玻璃纤维极具吸引力的物理和机械性能、易于制造以及与碳纤维相比的低成本，使其成为高性能复合材料应用中的首选材料。玻璃纤维由二氧化硅的氧化物组成。玻璃纤维具有优异的机械性能，如不易碎、强度高、刚度低和重量轻。

玻璃纤维增强聚合物由一大类不同形式的玻璃纤维组成，如纵向纤维、短切纤维、编织毡和短切毡，用于提高聚合物复合材料的机械和摩擦学性能。玻璃纤维可以获得较高的初始纵横比，但脆性会导致纤维在加工过程中断裂。

下表显示了不同类型的玻璃纤维和成分：

玻璃纤维的特性

玻璃纤维主要特性包括以下几个方面：

不易吸水性：玻璃纤维具有拒水性，不适合做衣服，因为汗水不会被吸收，让穿着者感觉湿漉漉的；由于材料不受水的影响，因此不会收缩。

无弹性：由于没有弹性，织物固有的延展性和恢复性很小。因此，它们需要进行表面处理以抗皱。

高强度：玻璃纤维强度极高，几乎和凯夫拉一样坚固。然而，当纤维相互摩擦时，它们会断裂并导致织物呈现出毛茸茸的外观。

绝缘：在短纤维形式中，玻璃纤维是优良的绝缘体。

悬垂性：纤维悬垂性好，非常适合窗帘。

耐热性：玻璃纤维具有很高的耐热性，可承受高达315℃的温度，它们不受阳光、漂白剂、细菌、霉菌、昆虫或碱的影响。

易感型：玻璃纤维受氢氟酸和热磷酸的影响。由于纤维是玻璃基产品，一些未加工的玻璃纤维应小心处理，例如家用绝缘材料，因为纤维末端易碎，会刺入皮肤，因此处理玻璃纤维时应戴手套。

典型商用玻璃纤维的物理和机械特性如下表所示：

玻璃纤维是一种非金属纤维，目前被广泛用作工业材料。通常，玻璃纤维的基本原材料包括各种天然矿物质和人造化学品，主要成分是硅砂、石灰石和纯碱。

硅砂用作玻璃形成剂，而纯碱和石灰石有助于降低熔化温度。与石棉和有机纤维相比，低热膨胀系数与低导热性能相结合，使玻璃纤维成为一种尺寸稳定的材料，可快速散热。

玻璃纤维制造工艺流程图

玻璃纤维是通过直接熔融生产的，涉及配料、熔融、纺丝、涂层、干燥和包装等过程。配料是玻璃制造的初始状态，在这一阶段，材料数量被彻底混合，然后将混合物在1400°C的高温下送入熔炉进行熔化。该温度足以将沙子和其他成分转化为熔融状态；熔融玻璃随后流入精炼器且温度降低至1370°C。

玻璃纤维的纺丝过程中，熔融玻璃通过一个带有非常细孔的套管流出。衬套板通过电子方式加热，并控制其温度以保持恒定的粘度。当细丝在大约1204°C的温度下离开套管时，喷水器用于冷却灯丝。

玻璃纤维纺丝示意图

通过机械方式将挤出的熔融玻璃流拉成直径为4μm至34μm的细丝。使用高速卷绕机提供张力，并将熔融玻璃拉成细丝。在最后阶段，将润滑剂、粘合剂和偶联剂的化学涂层涂覆到细丝上。润滑有助于保护细丝在收集和卷绕到包装中时免受磨损。经上浆后纤维在烘箱中干燥；然后，长丝准备好进一步加工成短切纤维、粗纱或纱线。

玻璃纤维的应用

玻璃纤维是一种无机材料，不燃烧，在540°C时保持约25%的初始强度。大多数化学品对玻璃纤维几乎没有影响。无机玻璃纤维不会发霉或变质。玻璃纤维受氢氟酸、热磷酸和强碱性物质的影响。

它是一种优良的电绝缘材料。玻璃纤维织物具有低吸湿性、高强度、耐热性和低介电常数等特性，是印制电路板和绝缘清漆的理想增强材料。

玻璃纤维的高强度重量比使其成为要求高强度和最小重量的应用中的优质材料。在纺织品形式中，这种强度可以是单向的，也可以是双向的，从而在设计和成本上具有灵活性，可广泛应用于汽车市场、民用建筑、体育用品、航空航天、船舶和船舶、电子、家庭和风能。

它们还用于制造结构复合材料、印刷电路板和各种特殊用途产品。世界玻璃纤维年产量约为450万吨，主要生产国是中国（60%的市场份额）、美国和欧盟。

（转自 碳纤维及其复合材料技术）