玻璃纤维的性能与应用

玻璃纤维的性能与应用

0化纤新材料加工和利用的行业各行业作用随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，观念的变迁，纺织品应用的领域不断扩大，从最初的一般穿着性的服用功能到环境的装饰功能，再到满足不同行业需求的特殊功能，纺织品应用已经覆盖了服装使用、装饰使用和工业使用三个领域。其中，产业纺织品是多学科齐联互通、发展和应用的结果。产业用纺织品之所以能够满足不同行业的特殊需求,与化纤工业的发展和化学纤维本身的特殊性能有着重要关系。例如,一些高性能纤维的强度和模量是钢丝的5~10倍,甚至更高,同时又具有弹性和柔软性;有的纤维具有各种特殊的功能,如抗菌、屏蔽各种射线和具有记忆功能等。化纤新材料除了本身的性能优异之外,其加工性能已非常好,可以加工成各种形态,并可采取涂层、叠层、复合等不同后加工方法满足各种不同的需要。如:碳纤维可以采取三维立体编织各种几何形状,在与树脂复合后做成复合材料用于航空、航天、汽车和机械工程中,与钢材相比,重量减轻3/4,而强度提高4倍;芳族聚酰胺纤维等高性能纤维经复合后可做成复合装甲、喷管喉衬、防弹头盔、防弹衣等,已成为军工装备研制生产的关键材料。化纤新材料在农业、交通运输、飞机、汽车、市政建设、环保、造纸工业、体育器材和功能运动服中都有很多用途。而玻璃纤维的出现,更将产业纺织品推进一个新时代。1双重性能玻璃纤维是一种新型的工程材料,具有不燃、耐腐蚀、耐高温、吸湿小、伸长小等优良性能,在电气、力学、化学以及光学等方面也有优良的特性。1.1高阻力和低延伸率玻璃纤维比强度极高,超过了其他纤维与金属,同时它的模量极高,具有很好的抗变形能力,断裂伸长率小于4%。1.2无长期蠕虫在长期荷载的情况下,玻璃纤维不会发生蠕变,使得其在与橡胶复合后的产品能长期保持性能。1.3可靠性玻璃纤维的熔化点在1000℃以上,确保作为骨架材料时,在高温环境中保持性能的稳定。1.4纤网中纤维素制品的应用玻璃纤维的主要成分为硅酸盐,除氢氟酸、磷酸外,不受油类、酸类、有机溶剂的侵蚀,因此在各行业广泛应用。在短短的60年间,玻璃纤维制品的应用己覆盖工业、建筑、交通、信息通讯、生态环保等多个领域。随着先进玻璃纤维池窑拉丝生产工艺的掌握和产量剧增,我国己名副其实地成为玻璃纤维生产大国。2玻纤产品的分类和应用2.1组织形式对纤软性的影响玻璃纤维在拉制过程中经过浸润剂的作用,获得了柔软性,使之易于纺织。在大多数情况下,玻璃纤维必须要有一定的组织形式才能充分发挥它的性能。玻璃纤维织物分为机织物与针织物两大类。2.2增强塑料的基本特征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;几乎可设计和塑造成任何所需形状,达到期望的美学要求;可实现部件整体成型,大大减少组装零件数量,节省模具费用。2.2.1钢结构车件和轨道车辆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;在树脂中添加阻燃剂,具有防火性能,保证乘客安全;能吸收火车的大量振动,增加乘客的舒适度等;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。2.2.2碳纤维对材料碳化过程中frp的利用与加强玻璃钢在建筑领域有着广泛的应用。近10年来,旧建筑和基础设施的加固、修复和翻新已成为一种重要工程。由于长期荷载、气候老化、腐蚀、环境降解、不良设计或施工、缺乏维修以及天灾或事故等原因引起的建筑结构如桥面、梁、柱、房屋、停车场等的老化给玻璃纤维或碳纤维增强塑料(FRP)带来机遇。在加固技术获得成功的基础上,进一步应用FRP进行新的建设。这方面已有不少成功的范例,特别是步行桥的建设。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。2.2.3钢绞线是受荷于海上的主流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。风能是世界上发展最快的能源技术,是无污染的清洁能源。风力发电依靠涡轮机完成,其中涡轮机叶片是关键部件。由于增强塑料在重量、强度、气动弹性及其他性能方面的优点,它最能与风力涡轮机的操作条件相匹配。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。2.2.4航空结构器件复合材料已在航空航天飞行器上获得多种应用,如飞机机身、机翼、内装件、火箭和导弹发动机壳体、导弹弹药箱、喷管、雷达罩和压力容器等。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。2.3气体过滤的应用玻璃纤维制品作为过滤材料,特别是在高温气体过滤方面占有重要一席。以纸、机织物、毡及覆膜为主要形态,用于不同含污染物和要求净化的气体过滤,目前已大批量用于碳黑、水泥、冶金工业以及焚烧烟气的除尘净化。同时,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,并可以使过滤兼有杀菌、除异味效果。基于玻璃纤维制品的化学稳定性和高的过滤率,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实验室用精品过滤器。3最新的纤维应用3.1浸渍剂与偶联剂的应用国外生产厂家在改善玻璃纤维性能方面作了大量的研究,并且取得了可喜的成果。他们不仅在前道拉丝工序采用不同的浸润剂对单丝进行化学涂敷,而且在后道织布工序采用不同的偶联剂对织物进行表面化学处理,不同的浸润剂与不同的偶联剂就是不同用途的产品。比如有一种超细玻璃纤维织物,国外称为“贝它”纱。由于纤维直径极细,故它的柔软性特别好。它比开士米软7倍,比“的确凉”涤棉布软14倍,比一般工业用的玻璃纤维软36倍,手感柔软,耐皱折,可用作宇航服及充气屋顶材料。国内玻璃纤维行业由于很快推广了池窑拉丝规模化生产新技术,使玻璃纤维的产量迅速提高。目前连续玻璃纤维年产量已超过3.5×106t,矿物棉产量也达4.5×106t以上,我国成为世界上玻璃纤维生产大国之一。中国玻纤工业结构调整呈现巨大成效,玻纤生产总量6.525×106t。3.2国内碳纤维过滤材料的发展目前,国外玻璃纤维行业已经发展到拥有3000多个玻璃纤维品种,50000多个规格,每种规格都有一种用途相对应。国外玻璃纤维产品按用途划分基本上可分为四大类:增强热固性塑料用玻璃纤维增强材料、增强热塑性塑料用玻璃纤维增强材料、增强沥青用玻璃纤维增强材料及玻璃纤维纺织材料。除了汽车、船艇等传统产品外,玻璃钢风力发电机风轮叶片、拉挤玻璃钢门窗、玻璃钢筋材、玻钢雷达罩、连续成型玻璃钢瓦及板材和混凝土结构的修复补强均是玻璃钢新的应用领域。玻璃纤维过滤材料作为玻璃纤维纺织材料应用较广的用途之一,近来也有很大发展。从1932年美国欧文斯-伊利诺斯(O-I)集团公司首次将玻璃纤维用于强制通风窑收尘,发展到如今的覆膜滤料,玻璃纤维过滤材对环保事业功不可没。我国的玻璃纤维滤料和滤袋与袋式除尘技术是同步发展的。从20世纪60年代起,南京玻璃纤维研究院与北京建材研究院都分别开展了玻璃纤维过滤材料的研究开发工作,现已发展了连续玻璃纤维平幅过滤布、玻璃纤维针刺毡、玻璃纤维复合毡、玻璃纤维覆膜滤料等品种。除了这些传统领域外,玻璃纤维还在许多领域发挥作用。玻璃纤维可用做吸声隔音材料、绝热材料、建筑防水材料、工程建筑材料和光导材料等。其中玻璃纤维作为光导材料大大改善了人类的生产与生活。最近,光纤在太阳能传输的应用为人类解决能源危机带来福音;光化学纳米TiO2光催化技术可用于分解难于降解的有机污染物,并能杀死细胞和病毒,在给水、废水处理和杀菌消毒等领域有着广阔的应用前景,具有潜在的高效性和经济性。玻璃纤维及其制品还在核能技术开发中大显身手。不含氧化硼的耐辐射玻璃纤维,已经用作核反应堆内探测器电缆的绝缘材料及其它高温导线的绝缘材料。另外,由于玻璃纤维具有的一系列优异特性,在人类向海洋进军中,玻璃纤维将可大显身手。如海底石油及矿产开采,可用玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)作开采设备的结构材料和输送管道、储油罐及浮洞等,还可用作钻机的摩擦制动材料及治理海洋污染的净化设备等。截至20世纪,我国陆续发射成功数10颗各种类型的人造卫星,并且已经成为世界上第三个掌握卫星回收技术的国家