第2章玻璃纤维

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2.2.1 玻璃纤维的组成及分类
1、各种玻璃纤维的成分及性能
各种氧化物对处于玻璃态的玻璃行为及最终制品的玻璃的性能的影响 分析如下。
①SiO2是几乎所有玻璃中的一个主要成分，它熔点高，具有很高的粘 度，在熔融状态下气泡脱除速度很慢。对于最终玻璃，它的存在导致玻璃 具有低的热膨胀系数。
②Na2O、Li2O、K2O等碱金属氧化物使玻璃具有低的粘度，改进玻璃 流动性。它们使成品玻璃具有高的膨胀系数及易受潮气(水分)的侵蚀。
在我国A玻璃也即平板玻璃，多为乡镇企业用在陶土坩埚艺中生产玻璃 钢增强材料。这种陶土坩埚拉制的高碱玻璃纤维由于性能很差，国家不允 许将其应用在玻璃钢生产中。
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⑹E-CR玻璃
是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维，其 耐水性比无碱玻纤改善7~8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少。这是美国欧 文斯~科宁公司的专利，是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。
电工无碱E 53.5 0.3
16.3 4.4 17.3
8.0
普通有碱A 72.0 14.2
SO3
0.6 2.5 10.0
0.7
普通中碱 64.5
12.5 4.0 3.5 8.5 4.0
3.0 1.5
中碱5#
67.5 ＜0.5 11.5 6.6 4.2 9.5
抗碱G20 耐酸C
71.0 2.49 65.0 8.0
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2.1.2.增强纤维的品种与性能
复合材料组分之一是增强材料或称增强剂， 其主要功能是显著提高基体材料的机械性能，即 赋予复合材料的高强度和高模量等力学性能。
增强剂的形态：微粒、薄片、纤维等。
其中纤维状增强效果最好。 例如：块状石墨是脆性材料，它的拉伸强度为 689MP，商用石墨纤维的拉伸强度在1700～ 2800MP。
玻璃纤维结构示意图
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2.2.2玻璃纤维及其制品的制备
1、生产玻璃纤维所用的玻璃原料
纤维玻璃的各种成分主要是由天然矿石原科引入的，也有少量成分来 自化工原料。前者指能形成玻璃网络结构、并能改进网络结构的一些原料。 辅助原料又称小料，指用量较少、主要用于促进玻璃熔制并赋予玻璃某些 性质的一些原料。
（1）主要原科
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2、玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃原料成分； 单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。
1） 按化学组成分
这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。一般 以不同的含碱量来区分：
有碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量大于12％； 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量6％～12％； 低碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量2％～6％ ； 微碱玻璃纤维（无碱玻璃纤维）：碱金属氧化物 含量低于2％；
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⑷AR玻璃纤维
亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥而研制的。普通的波特兰 水泥呈碱性，一般玻璃纤维在这种水泥中很快就被腐蚀而丧失强度。而耐 碱纤维因含有16％的ZrO2，故耐碱性大为增加。目前这种耐碱纤维已在 增强水泥制品中应用。
我国已有生产，法国圣戈班公司也在北京建立一座专门生产耐碱玻璃 纤维的工厂。
⑦ZnO使玻璃液粘度稍稍上升,它在玻璃中有助于耐化学性的增加。 ⑧PbO大大降低了玻璃液粘度起着助熔剂的作用,在成品玻璃中增加破璃 密度以及光亮程度,导致高的热膨胀。用在生产高品质玻璃，也可用在耐辐照 玻璃纤维成分中。 ⑨BeO导致中等玻璃粘度,有助于增加玻玻璃产品的耐化学性及提高密度。 ⑩TiO2导致玻璃液粘度稍高，改善玻璃耐化学性，特别是耐碱性。 ⑪ZrO2显著增加玻璃液粘度及析晶倾向，它大大提高了玻璃的耐碱性。
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国内进展：
我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘 材料用的初级纤维。
1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展。现在全 国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维年产量为5万 吨，其中无碱纤维占20％，中碱纤维占80％，纤维直径多 数为6--8μ m，正向粗纤维方向发展。
池窑拉丝工艺正在推广，重视纤维--树脂界面的研究， 新型பைடு நூலகம்联剂不断出现，许多玻璃纤维厂使用前处理工艺， 玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学 技术的发展。
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⑶高强玻璃纤维
美国欧文斯—科宁公司生产的牌号为S和S-2玻璃纤维、法国圣戈班公司 生产的R-玻璃纤维、日本日东纺生产的T玻璃纤维及我国生产的HS玻璃纤 维均属于高强玻璃纤维。
特点:高强度、高模量。 用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。 由于价格昂贵，目前在民用方面还不能得到推广，全世界产量也就几 千吨左右。
本篇分章讨论聚合物基复合材料的三个组分单元。
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第2章 增强材料
2.1 概述 2.1.1 添加剂
是指被物理地分散在聚合物基体中，而不明显地影响聚 合物分子结构的那些辅助材料。 （1）提高稳定性能； （2）改善力学性能； （3）改善加工性能； （4）改进表面性能和外观的添加剂； （5）提高耐热性能； （6）改变其他性能。
玻璃没有固定的熔点，随着温度的升高，逐 渐由固体变为液体，其软化温度范围比较大。
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网络结构假说
玻璃是由二氧化硅 的四面体、铝氧三面体 或硼氧三面体相互连成 不规则三维网络，网络 间 的 空 隙 由 Na 、 K 、 Ca 、 Mg等阳离子所填充。二 氧化硅四面体的三维网 状结构是决定玻璃性能 的基础(图)，填充的Na、 Ca等阳离子称为网络改 性物。
1.0 4.0 3.0 14.0
16.0 6.0
高强S 高模M
64.3 0.3
25.0 10.3
BeO TiO2 Li2O
CeO Fe2O3
53.7 8.0 7.9 3.0 9.0 12.7 3.0 0.5 2.0
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总之，玻璃纤维化学成分的制定一方面要 满足玻璃纤维物理和化学性能的要求，具有 良好的化学稳定性；另一方面要满足制造工 艺的要求，如合适的成型温度、硬化速度及 粘度范围。
①引入二氧化硅(SiO2)的原料 纤维玻璃中的SiO2主要由硅砂引入，硅砂可分为天然和人造两种。 要求SiO2含量为98.05%以上，Al2O3：0.85%， Na2O：0.1% Fe2O3： 0.1% 。
第二篇
组分材料
复合材料是一种多相材料。在复合材料中，增强材料作为 分散相，树脂基体作为分散介质，互不溶混而构成一个整体结 构。在增强材料和基体树脂之间，还存在着第三相——增强材 料与基体之间的界面。
增强材料，基体树脂和增强材料－基体树脂的界面，这 三个单元的有机组合，使复合材料具有增强材料或基体树脂单 独存在时所不具备的优良性能。
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(1)无碱玻璃纤维(通称E玻纤)：
是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维强度 较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定 性也好(但不耐酸)。
无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它 称做电气玻璃。
现在，国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复 合材料的原材料。
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(2)中碱玻璃纤维(通称E玻纤)：
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2） 按纤维使用特性分。
国际上已经商品化的纤维用玻璃成分如下：
⑴E-玻璃
亦称无碱玻璃，系一种硼硅酸盐玻璃。 优点：有良好的电气绝缘性及机械性能， 用途：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 的玻璃纤维。 缺点：易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。
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⑵C-玻璃
亦称中碱玻璃， 优点：耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃, 缺点：电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10％~20％。 国外的中碱玻璃纤维含一定数量的B2O3 。 我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼。 国外用途：中碱玻璃只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如用于生 产玻璃纤维表面毡等，也用于增强沥青屋面材料， 我国用途：中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半(60％)，广泛用于 玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产，因其价格低于无碱玻璃 纤维而有较强的竞争力 。
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连续长纤维复合材料
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主要纤维品种：
1）无机纤维 （1）玻璃纤维。 （2）碳纤维。
聚丙稀腈基碳纤维；沥青基碳纤维 （3）硼纤维。 （4）碳化纤维 （5）氧化铝纤维 2）有机纤维 （1）刚性分子链：
对位芳酰胺；聚苯并噁；聚芳酯 （2）柔性分子链：
聚乙烯；聚乙烯醇
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有关纤维的增强作用将在复合材料力学 性能章节中讨论，本章只讨论纤维本身的组 成、制备、结构与性能，重点介绍目前聚合 物基复合材料常用的玻璃纤维、碳纤维和芳 纶等增强材料，为复合材料的材料设计、制 造和应用等打下基础。
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2.2 玻璃纤维
玻璃纤维是将熔融的玻璃液，以极快的速度拉 成细丝而成。由于它很细，因而除了具备普通块状玻 璃的一些性质外，还具备一些新的特点，如消失了玻 璃的脆性，变的质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、 纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。
玻璃纤维的概况 玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增
强材料。
③CaO、MgO使玻璃液具有中等粘度，易于析晶，在玻璃中它们能改 进制品的耐化学性、耐水性及耐酸、碱性，以及耐温性。
④B2O3使玻璃熔体具有中等粘度，在玻璃熔制时起助熔剂作，使玻璃 具有低的热膨胀性及稳定玻璃的电气性能。
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⑤A12O3增加熔体粘度，使最终玻璃有高的机械性质及改进耐化学性。 ⑥Fe2O3作为着色剂使用，一般在玻璃中是作为杂质处理，在玻璃液中 吸收红外光，阻碍玻璃液中的传热。它的存在使玻璃着上绿色。
⑺D玻璃
亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。
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上述玻璃纤维目前实际的产量及价格差异甚大， 下表简要地说明了 这一情况，并可知无碱玻璃纤维是世界玻璃纤维的主流。
注：①不包括中国生产
E： 电绝缘(无碱)玻璃; C： 耐化学侵蚀(中碱)玻璃 ; A： 高碱含量玻璃 ; D： 介电性能优良的(低介电)玻璃; S： 高机械强度(高强)玻璃 ; AR： 耐碱玻璃 ECR： 耐化学腐蚀无硼无碱玻璃