(复合材料)玻璃纤维

专家访谈

玻璃纤维是复合材料的最佳增强材料

󰀁󰀁在祖国60岁生日即将来临之际,本刊记者采访了我国玻璃纤维行业专家危良才先生。记者与危先生就新中国玻璃纤维工业的发展历程和当前全球金融危机对我国玻纤行业的影响和应急对策等话题进行了广泛的探讨󰀂󰀂记者:我们知道,您干了一辈子玻璃纤维,称得上是玻璃纤维专家。您能给我们简单介绍一下玻璃纤维吗?危良才:好的。玻璃纤维,顾名思义是一种纤维状的玻璃态物质。它是一种人造无机纤维材料,它的主要原料是叶蜡石、石灰石、硼钙石、萤石及硅砂等各种天然矿石。由于它得天独厚的自然条件,所以它与金属纤维、棉麻丝绸及其它人造有机纤维对比,具有耐高温、抗腐蚀、强度高、比重轻、吸湿低、延伸小及电绝缘性能好等一系列优异特性,使其在机械、电气、光学、耐腐蚀、隔热及吸声等方面发挥出无可比拟的特性。随着世界科学技术水平的不断提高与进步,其在国民经济各工业部门中的应用日益广阔,现已遍及电子、电气、通讯、机械、冶金、化工、建筑、车船、航空、航天、航海、信息、环保、能源及遗传工程、微电子技术等高新技术领域。由于其性能优异,主要原料又是各种天然矿石,矿藏丰富,可以取之不尽,用之不竭,所以具有广阔的发展前途。记者:玻璃纤维与玻璃钢是一对孪生兄弟,由于玻璃纤维具有的优异性能,使得玻璃钢成为当今最佳的复合材料。对此您能说点什么吗?危良才:是的。玻璃纤维与玻璃钢确实是一对名副其实的孪生兄弟。玻璃钢是我国的俗称,国外都称为玻璃纤维增强塑料。玻璃纤维不仅是玻璃钢的增强材料,也是整个复合材料的最佳增强材料。据有关部门报道,目前,玻璃纤维占据复合材料所用增强纤维的98%左右。其余的2%增强纤维包括碳纤维、芳族聚酰胺纤维(即芳纶纤维)、天然纤维、玄武岩纤维及其它纤维。在玻璃钢的大多数应用领域中,玻璃纤维都占据主导地位。即使在被认为是碳纤维天下的航空航天领域,玻璃纤维也有大量应用。玻璃纤维用作玻璃钢的主要增强材料,它与各种树脂相结合,衍生出许多优异性能,导致玻璃钢具有优良的比强度、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,可达到任何美学要求。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,同时其制造技术容易掌握,所需投资较少。为此,玻璃钢用作工程材料的地位日益稳固,在取代传统材料,发挥减轻重量、节省能量、集中功能、提高设计灵活性之作用方面成绩卓著,成为材料科学的重要分支,具有良好的市场前景。记者:国外流行使用玻璃纤维复合材料输电杆,而我国才刚刚起步,您能简单介绍一下玻璃纤维复合材料输电杆的特性及其市场前景吗?危良才:国外玻璃纤维复合材料输电杆的市场主要集中在北美和欧洲,已有将近五十年的历史。由于它与传统材质输电杆对比,具有一系列优异特性,所以发展较快。复合材料电杆的质量约为木质杆的1󰀁3,混凝土杆的1󰀁10,钢质杆的1󰀁2,可大幅度降低运输和施工安装成本,尤其是在人难以到达的山林和偏远地区。复合材料电杆的轻质特点使其可用直升机运载,轻质还意味着安装速度加快和节省人力。复合材料电杆是一种免维护或低维护结构,这对保障线路安全和降低输电线路的维护成本很有意义。复合材料电杆对酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良,因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土,以及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。利用玻璃纤维复合材料电杆代替传统铁塔新技术不但在重量上可以减轻一半,易于安装和施工,同时还可以解决闪络事故率居高不下的问题,复合材料杆电气绝缘性能优良,可避免铁塔易出现的雷击事故发生,还可以设计减少导线与塔身间隙,使输电线路结构更为紧凑,可减少线路走廊宽度,这在土地资源稀缺的情况下尤其重要。复合材料电杆比传统的电杆具有更好的综合性能,通过合理的设计,复合材料杆可以满足输电线路对杆塔结构的各项性能要求。在特殊地区,还可以有效地防止塔材盗窃等人为破坏。在我国这个山地第3期纤维复合材料No󰀁353󰀁2009年9月FIBERCOMPOSITESSep󰀁,2009面积占国土总面积70%以上的国家,复合材料电杆运输和安装费用低廉具有特别重要的意义。因此,玻璃纤维复合材料输电杆在我国将会有广阔的市场前景。记者:据说我国玻纤工业在创建初期的发展过程中曾遭遇过三个 马鞍型!,是吗?危良才:不错。我国大陆玻纤工业自上个世纪五十年代末期创建,发展到改革、开放的八十年代初期,在这二十多年的坎坷发展历程中,的确遭遇过三个 马鞍形!。这是当时全行业一致公认的提法。所谓的 马鞍形!,是指全国玻纤总产量因某种缘故突然严重下滑的形象比喻。第一个 马鞍形!发生在上个世纪六十年代初期。当时我国玻璃纤维工业各厂清一色,全部生产的是无碱电绝缘制品,由一机部等有关部门统购包销。而机电工业部门却由于电机工程大量下马,实然要求建工部大量减少无碱电绝缘玻璃纤维的供应量,使各玻璃纤维生产厂家措手不及,被迫纷纷封埚停机减产。1961年全国玻纤总产量名义上为2107吨,实际上这些产品没有按计划分配全部销售出去,而有很大一部份积压在各生产厂家的仓库中,以致造成资金周转困难。不少玻纤基建收尾工程也不得不暂时停止,有的生产厂家甚至连发工资都有困难,被迫组织员工集体到其它行业去打工。当时,个别地区在推销积压在仓库内的玻璃纤维制品时,采取了只要销得出不负责任的误导销售法,造成了非常恶劣的影响。如某地市场上出现了 玻璃纤维布不收布票!的销售广告,因为当时国家按户口供应的民用布票紧张,于是有人将玻璃纤维布买去作蚊帐,有人买去给毛料成衣店作来料加工的口袋布,还有的买去给殡仪馆作遗体寿衣󰀂等等五花八门的用途。但是,这些用途都不符合玻璃纤维的特性,如作蚊帐及口袋布的,因玻璃纤维不耐折,使用不久玻璃纤维布就会折断,商场售货员在为顾客裁剪玻璃纤维布时,弄得柜台四周玻璃纤维毛羽飞扬,毛羽散落在身上或粘附在手臂、手背上刺激皮肤,弄得皮肤红肿奇痒难忍。上市不久,售货员就联合拒卖这种玻璃纤维布。而用作寿衣的又因玻璃纤维的软化温度高,具有良好的耐热性能,被裹住的体久久不能完全火化,导致火化成本大增。起初殡仪馆弄得稀里糊涂,后来殡仪馆弄清了事情的缘由,在火葬须知中增加了一条:不得用玻璃纤维布作寿衣。此事在某地一度广为传播,成为笑谈,但在广大群众中却造成了极为恶劣的影响。另外,当时无碱玻璃纤维是采用价格昂贵的硼酸作玻璃助熔剂,生产成本很高。部份生产厂家为降低制造成本,擅自采用高碱玻璃料拉丝。高碱玻璃纤维制品因其碱含量大,所以吸湿率也比无碱的大得多。当时玻璃纤维产品市场滞销,这些高碱纱与高碱布在生产厂家仓库存放时间稍长一点,都发生不同程度的发霉变质现象,报废不少。因此,1963年全国玻纤总产量再一次下降。第二个 马鞍形!发生在 文革!初期的1967-1968年。1966年全国玻纤总产量达到13536吨,比1965年的10318吨还增长了31.18%。1967年全国范围的 串联!及 武斗!对工业生产造成了极大破坏,几近瘫痪的边缘。1967年全国玻纤总产量下降到10519吨,1968年再度下降到9402吨,比1966年下降了30.55%,这就是第二个 马鞍形!。第三个 马鞍形!发生在1980-1981年。1979年以前,我国仍然实行 计划经济!。各玻纤企业在原材料供应和产品销售上,全部服从上级的指令性计划,只管按计划指标按排生产,无需过问经营及产品销售,全部产品,一律由上级主管部门 统配包销!。1979年起,全国贯彻党的十二届三中全会制定的 调整、改革、整顿、提高!的八字方针。首先是全国机电工业大调整,机电产品总产量下降,导致无碱玻纤产品的需求量相应下降。据有关部门统计资料,全国无碱玻纤需求量1980年下降了14%,1981年又下降了34%,使全国大中型玻纤企业主动减产。另外,当时约占总产量70-80%的中碱玻纤产品也在调整过程中,逐步取消了 统购包销!的办法,改为市场调节法,即各玻纤企业要为产品自找销路。在实行了20多年的产品 统购包销!办法后,马上改为市场调节,各玻纤企业普遍感到不适应,找不到销售渠道,产品大量积压。因此,1980-1981年连续两年不但没有增产,反而连年减产。据有关部门统计资料,全国玻纤总产量1980年下降到45607吨,1981年继续下降到44246吨。这就是第三个 马鞍形!。自1982年起,由于全面贯彻八字方针,各玻纤企业也逐步适应了市场经济并陆续采取了相应措施,促使全国玻纤生产步入稳步发展新阶段。统计资料表明,1982年初见成效,全国玻纤总产量达到48421吨,同比提高9.44%;1983年再见成效,全国玻纤总产量提高到54666吨,同比提高12.90%;1984年大见成效,全国玻纤总产量跃升到66555吨,同比提高21.75%。记者:当年玻纤行业大力开展用玻璃纤维制品54󰀁纤󰀁维󰀁复󰀁合󰀁材󰀁料2009年代替工业用棉布及棉纱活动,取得了成效吗?危良才:成效显著。二十世纪六十年代初期,我国棉布供应非常紧张。当时因国民经济建设大力发展工业的需要,工业用棉纱、棉布需求量显著增加,因强调自力更生、艰苦创业政策,只得压缩民用棉布的发放标准,全国老百姓每人每年仅发给16市尺棉布票。所有棉制品一律凭布票供应。为了减少市场缺少棉纱、棉布的压力,当时国家在政策上大力鼓励积极采用其它人造纤维来代替棉制品。1963年10月17日,国务院以(63)国财办字第694号文,批准了建筑工程部和商业部 关于推广采用玻璃纤维制品节约工业用棉纱、棉布和价格补贴问题的联合报!,同意对技术上已经过关的玻璃纤维制品实行财政补贴和免税办法,提出 在工业交通企业大力推广使用玻璃纤维制品代替棉纱、棉布具有十分重要意义,应当积极发展!。接着,1964年1月,国家科委召开了全国纺织纤维技术改进会议。要求扩大玻璃纤维及其制品的应用范围,代替工业生产和非衣着用途的天然纤维-棉、毛、丝、麻。会议特别强调指出 虽然今后十年国家要大力发展合成纤维、人造纤维和天然纤维,但是由于各种条件关系,还有一定限度,因此采用玻璃纤维和塑料,把工业生产和非衣着用途天然纤维顶替下来,来转用于人民衣着,就有更重要的意义,这也是国家一项长远方针!。当时的历史背景是,我国玻纤工业创建时全部照搬原苏联那一套落后的生产工艺技术,刚投产不久的十多家玻璃纤维厂(车间),生产的是清一色的无碱玻璃纤维制品,其应用范围局限于电气绝缘。当时玻纤行业没有充分认识到,电机行业从传统使用的电绝缘材料改用玻璃纤维作绝缘材料,有一个比较复杂的应用技术改进、设备改装和电机、电器结构改良的一系列问题。同时,玻璃纤维制品本身还有一个产品质量满足不了要求及售价比棉制品偏高的问题。为此,全国无碱玻纤制品销售量显著下降,各生产厂家产品大量积压。此时,玻纤行业才清醒地认识到,要想发展我国玻纤工业,一定要打破从原苏联学来的 框框!,不能只走 电绝缘!这个独木桥,而要走适合我国国情的发展道路,从专门为电机工业服务,逐步转移到同时为其它工业和民用,即为整个国民经济服务,这才是阳光大道。为了开发出玻璃纤维新的工业与民用产品,替代当时市场紧缺的棉制品,其技术关键是,要研制出一种新的玻璃成分,其要术是拉丝性能好,比高碱玻璃纤维有较好的耐蚀性,且原料易得,价格又低廉。南京玻璃纤维研究设计院主动承担了这一科研任务,及时完成了中碱5号玻璃成分及各组分变动对玻璃纤维性能影响研究的科学试验,交由上海耀华玻璃厂进行工业生产并向全国推广。当时全行业响应国家号召,把试制玻璃纤维代棉产品当作一项伟大的政治任务,商业部也积极派员参加玻璃纤维代棉产品的技术鉴定工作。采取每鉴定过关一项产品,就立即取消这项产品原来的用棉、毛、丝、计划分配指标,从政策上强制性推广玻璃纤维代棉产品,使玻璃纤维代棉产品得以蓬勃发展。据当时统计资料称,1964年全国玻璃纤维品种已发展到74个,其中有16个在1964年上半年荣获了国家计委、经委和科委联合颁发的新产品奖。当年在全国推广应用的玻璃纤维产品有:电工用6微米160支2股无碱纱、4微米360支2股无碱纱、电绝缘玻璃纤维漆布、漆绸用玻璃纤维布、玻璃纤维云母制品用布、玻璃纤维层压板用布、玻璃纤维导火索用纱、玻璃纤维乳胶包扎布与包装布、聚氯乙烯涂层玻纤布,玻纤棉纱交织导风筒坯布、玻璃纤维酸性过滤布、玻璃纤维炭黑收集袋、铝水过滤布、管道包扎布、沥青玻璃纤维布、油毡坯布及玻璃纤维聚氯乙烯涂塑窗纱等等。这些产品广泛应用在电机、化工、石油、煤炭、轻工、国防及民用等方面,收到了较好的技术经济效益和社会效益。一机部称,从1963年初到1964年底,全国各电线厂用中碱玻璃纤维纱代替棉纱作橡皮电线保护层,共节约棉纱2000多吨。化工部橡胶司称,全国主要炭黑厂使用中碱玻璃纤维布代替柞蚕绸作碳黑收集袋,每年可节约50万米柞蚕绸。冶金部供应局称,用乳胶玻纤布代替棉布包装,1964年节约工业用棉布400多万米。石油部称,用玻璃纤维管道包扎布作管道防腐层,施工成本降低了50%,施工效率提高了4-5倍。天津进出口公司称,玻璃纤维涂塑窗纱已经销售到亚、非、拉三大洲二十八个国家。记者:我国电子玻纤生产现状如何?近几年来我国池窑生产运转总座数有多少?年产能达到什么水平?危良才:我国电子玻纤自1990年正式诞生并逐步建立配套的工业体系以来,已经历了二十个年头的发展历程。电子玻纤从无到有、从小到大、从弱到强,并与同一条产业链上紧密相连的下游行业CCL及PCB紧密协作,联手发展,共同创建并逐步完善了初具规模的全球最大、具有中国特色的电子玻纤市场。目前,池窑拉丝技术已是我国玻纤工业的主导技术,其核心就是无碱池窑拉丝及电子玻纤生产技术,现已成为我国玻纤工业持续发展的强大动力。据中国玻纤工业协会资料,近几年来我国玻纤3期玻璃纤维是复合材料的最佳增强材料55󰀁

工艺・设计

玻璃纤维增强热塑性复合材料的增强方式及纤维长度控制赵若飞　周晓东　戴干策(华东理工大学,200237)摘　要　本文综述了玻璃纤维长度对力学性能的影响;玻璃纤维长度的表征方法;挤出和注塑过程中玻璃纤维的断裂;并叙述了玻璃纤维增强热塑性复合材料的进展,提出了玻璃纤维增强热塑性复合材料发展的方向。关键词　玻璃纤维,纤维长度,增强方式,热塑性复合材料ABSTRACT　Inthispaper,theeffectofglassfiberlengthonmechanicalproperties,glassfiberlengthmeasurementandfiberfractureinextrusionandinjectionwerereviewed1Thedevelopmentofglassfiberre2inforcementfashionwaspresentedandalsotheperspectiveofglassfiberreinforcedthermoplastics1

1　前　言热塑性树脂经玻璃纤维增强后,强度、模量、冲击性能和耐热性能都得以全面的提高,用途大大拓宽,50%的热塑性树脂复合材料含有玻璃纤维。短玻纤增强是玻璃纤维增强热塑性复合材料的主要增强方式,加工工艺是挤出机混合造粒,然后注塑成型,在混合和注塑过程中玻璃纤维逐渐被剪碎,最终制品中纤维长度在012～014mm范围[1]。纤维长度是决定纤维增强复合材料最主要的因素,长纤维比短纤维具有更佳的增强效果,为了提高制品中玻璃纤维的长度,人们对玻纤增强热塑性树脂的混合以及制品成型工艺进行了大量的研究,对加工过程中玻璃纤维的断裂有了较深入的认识,但是玻璃纤维的长度却始终被限制在1mm以内。同时玻璃纤维的增强方式取得了两大进步,一是预浸带工艺[1-4],即用树脂熔体或溶液浸渍连续纤维束,得到预浸带,将预浸带切成10mm长的颗粒,用于注塑成型,制品中的玻璃纤维长度大于1mm。二是GMT材料[5,6],玻璃纤维以长纤维或连续纤维毡的形式增强热塑性树脂,GMT材料广泛用于汽车零部件和结构件,由于其力学性能优良,具有突出的耐冲击性能,而且易于加工,可回收,日益受到工业界的青睐。2　玻璃纤维长度对复合材料性能的影响纤维增强复合材料,根据纤维的增强原理,只有纤维长度在临界长度以上时才能充分发挥纤维的增强作用。Thomason[7]采用GMT的造纸工艺,分别将0109～12mm之间6种长度的玻璃纤维与聚丙烯制成GMT片材,研究了玻璃纤维长度对PP/GF力学性能的影响,纤维长度与增强效率之间的关系见表1。由表1可见,随长度的增加,纤维的增强效率提高,当纤维长度超过12mm时,纤维对复合材料各项性能的增强效果基本达到最佳。长纤维复合材料表现出比短纤维复合材料更佳的性能,可提高刚性

玻璃纤维与复合材料术语解释（二）　Ｆ　—　ｇ｜ａｓｓ　

玻璃纤维与复合材料术语解释（二）　

ＩＩＩ纤维及产品制造　

坩埚拉丝法（ｍａｒｂＩ　ｅ　ｍｅｌｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｒｅｍｅｌｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ）：又称再熔拉丝法，即把由另外熔制过程　

（玻璃球窑）制成的玻璃球喂入坩埚，再熔成玻璃　液后拉制纤维。最早的坩埚有５０或５１个漏嘴（５０个　

拉丝，１个备用）。后来迅速发展到１０２和２０４个，并　

建立了纤维重量与长度关系标准。坩埚法具有可灵　活改变生产品种的特点，更适宜拉制更细的玻璃纤　维。　坩埚（ｃｒｕｃｉｂＩ　ｅ，ｍａｒｂｌｅ　ｂｕｓｈｉ　ｎｇ）：以玻璃　

球之类冷玻璃为原料的熔化和成纤装置，由加球机、　

埚身和漏板等部分组成。　池窑拉丝法（ｄｉ　ｒｅｃｔ—ｍｅＩｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ）：又称直　熔拉丝法，即让玻璃配合料在池窑中熔化、澄清（均　

化）后流入安装在通路底部的漏板中进行直接拉丝　

的方法，现已成为连续玻璃纤维的主要生产方法。　单元窑（Ｕｎｊｔ　ｍｅＩｔｅｒ）：制造Ｅ玻璃纤维最常　

用的池窑。其特点是长宽比较高（一般不小于３：１），　由熔窑两侧喷出的燃气或燃油火焰加热。配合料从　

窑炉一端投入，熔化后的玻璃液在另一端经过挡砖　

下方流入通路。　纯氧燃烧（ｏｘｙ－ｆｕｅ　Ｉ　ｃｏｍｂｕｓｔ　ｉ　ｏｎ，ｏｘｙ—ｆｕｅ　Ｉ　

ｆ　ｉ　ｒ　ｉ　ｎｇ）：或称全氧燃烧，是针对传统火焰窑使用　空气助燃造成热量损失和环境污染等问题而研发的　

更新燃烧技术，即用纯度≥９０％的氧气作为助燃介　质，由此获得以下效益：达到环保要求，提高燃料　

效率，提高玻璃质量，延长窑炉寿命，改善操作环　

境等。　

电助熔（ｅＩｅｃｔｒ　ｉｃ　ｂｏｏｓｔｉｎｇ）：在燃料加热玻　璃池窑的某些部位采用电热作为辅助热源的技术。　波歇炉（Ｐｏｃｈｅｔ　ｆｕｒｎａｃｅ）：一种熔制玻璃纤　术语解释　

维的全电熔窑，其基本理念是由同一成分的冷凝玻　璃来容纳玻璃液以解决耐火材料的侵蚀问题。所用　

郭明林，等：玻璃纤维增强复合材料在建筑节能中的应用　４７　

玻璃纤维增强复合材料在建筑节能中的应用术　

郭明林　莫华林　耿运贵。　

（１．河南师范大学，新乡４５３０００；２．开封大学，开封４７５０００；３．河南ＮＸ－大学，焦作４５４０００）　

摘要介绍了玻璃纤维增强复合材料的优良性能及其在建筑节能中的应用情况。指出我国建筑业能耗占所有　

产业能耗的３０％，采用节能环保材料是未来一段时间内降低建筑能耗的必由之路。通过分析表明，在建筑工程推广　

使用玻璃钢管道、玻璃钢门窗等产品可为国家节约大量能源。结合目前我国严峻的节能形势，指出了今后发展玻璃　

纤维增强复合材料的方向和建筑节能的对策。　

关键词玻璃钢　管道　门窗　建筑节能　

当前，节能和环保已成为人类改善生存环境和　

社会寻求良性发展的主题，越来越受到人们的重视。　

据统计，我国建筑业能耗约占所有产业能耗的　

３０％＿１－４１，这对日益匮乏的自然资源造成极大的威　

胁。因此，推进建筑节能是我国走可持续发展之路　

的必然趋势，特别是采用节能环保材料对既有建筑　

的节能改造和新建建筑的节能选材设计是未来一段　

时间内降低建筑能耗的必由之路。玻璃纤维增强复　

合材料（俗称玻璃钢）凭借其优异的性能，在建筑节　

能方面的应用日益受到人们的青睐。　

１玻璃钢的优良性能　

（１）轻质高强，力学性能好　

玻璃钢具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能及　

减振性能好等优点。玻璃钢的密度通常为１．７　ｇ／　

ｍ　左右，而其强度可以达到甚至超过普通碳素钢的　

强度，作承力构件可发挥其独特的优良力学性　

能　。　

（２）可设计性优良　

玻璃钢的成型工艺灵活，其结构和性能具有很　

强的可设计性。通常玻璃纤维的强度和弹性模量比　

树脂的强度和弹性模量大几十倍。可以通过改变玻　

璃钢中纤维的含量和分布方向，将潜在的性能集中　

到必要的方向上，使纤维更有效地发挥作用。还可　

以根据需要制作兼具刚性、韧性的玻璃钢制品以最　

大限度地满足工程使用性能的要求。另外，还可赋