玻璃纖維的研究現狀及發展趨勢

韋 鑫，沈蘭萍

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

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玻璃纖維的研究現狀及發展趨勢

韋 鑫，沈蘭萍

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

玻璃纖維是一種具有優異的物理化學性能的高性能纖維，在社會生活中的各個行業均有廣泛的應用。介紹了玻璃纖維的生產工藝、分類、性能、應用領域、國內外生產概況及發展趨勢。

高性能纖維 應用領域 生產概況 發展趨勢

0 引言

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，以葉蠟石、石英砂、石灰石等天然無機非金屬礦石為原料，按一定的配方經高溫熔制、拉絲、絡紗等數道工藝秘制而成，具有質輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕、隔熱、吸音、電絕緣性能好等優異性能，通常作為增強材料，并以復合材料的形式應用于各個行業。

1 玻璃纖維的生產工藝

玻璃纖維的生產技術可分為兩種：一種為坩堝法(也稱為球法或者二步法)，另一種為池窯法(也稱為一步法)。坩堝法是將玻璃等原料融化后制成玻璃球，再將玻璃球加入坩堝內二次熔融，之后拉制成玻璃纖維絲。這種方法工序繁雜，需要經過二次熔融，浪費能源，其生產產能逐漸降低，但是其產品方案調節靈活、投資小、技術要求不高，較適用于中小企業。池窯法是指將玻璃配合料熔融后直接拉制成玻璃纖維絲。隨著池窯法的發展，我國使用坩鍋法生產玻璃纖維的比例正逐漸降低[1]。

2 玻璃纖維的分類

玻璃纖維按照原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進行分類。

2.1 按照原料成分分類

堿金屬氧化物是普通玻璃的主要組成成分，因此將它作為主要的分類標準進行分類，由此，玻璃纖維根據原料成分中堿含量的不同可以分為：

無堿纖維(也稱“E玻璃”)，其氧化物含量小于0.8%，是一種鋁硼硅酸鹽成分；

中堿纖維，其氧化物含量為11.9%-16.4%，是一種鈉鈣硅酸鹽成分，因其含堿量高，不能作電絕緣材料，但其化學穩定性和強度尚好；

高堿纖維，其氧化物含量等于或大于15%的玻璃成分；

特種玻璃纖維，如由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維，鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學腐蝕玻璃纖維；含鋁纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。

2.2 按照單絲直徑分類

玻璃纖維單絲截面呈圓形，其直徑就代表粗細，根據直徑的范圍可以分為以下幾類：

粗纖維：其單絲直徑一般為30um；

初級纖維：其單絲直徑大于20um；

中級纖維：單絲直徑10um-20um；

高級纖維：(亦稱紡織纖維)其單絲直徑3um-10um；

超細纖維：單絲直徑小于4um。

2.3 按照纖維外觀分類

根據纖維外觀進行的分類即根據纖維的長度和形態進行分類，可以分為以下幾類：

連續纖維：又稱為紡織纖維，它是無限延續的纖維，主要由漏板法拉制而成，可用于制作線、繩、布、帶等制品；

定長纖維：長度在300mm～500mm，一般做成毛紗或者氈片使用，纖維在氈片中雜亂排列；

玻璃棉：又稱短棉，纖維長度較短，一般在150mm以下，主要用作吸聲、保溫材料。

2.4 按照纖維特性分類

根據實際應用中的不同要求，生產纖維時需考慮不同的性能要求，因此可以將玻璃纖維分為：高強玻璃纖維，高模量玻璃纖維，耐高溫玻璃纖維，耐堿玻璃纖維，耐酸玻璃纖維，普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維)，光學纖維，低介電常數玻璃纖維；導電纖維等。

3 玻璃纖維的性能

3.1 玻璃纖維的物理性能

3.1.1 密度

玻璃纖維密度一般高于有機纖維，但低于金屬纖維，其無堿玻璃纖維一般大于有堿玻璃纖維的密度[2]。由于其優異的物理化學性質，并且和鋁的密度相近，因此近年來，在航空航天領域逐漸用玻璃鋼來代替鋁鈦合金制品。

3.1.2 斷裂強度

玻璃纖維的斷裂強度為1370～1470N，比相同質量鋼絲的斷裂強度高2～4倍。

3.1.3 尺寸穩定性

玻璃纖維在拉伸過程中，其應力應變呈現線性關系，中間沒有屈服點，直至斷裂，其最大的伸長率為3%，去掉負荷之后恢復到原長，因此其尺寸穩定性非常好。

3.1.4 耐磨性和耐折性

耐磨性是指抗摩擦的能力，耐折性是指抗折斷的能力，玻璃纖維的這兩種性能都很差。

3.1.5 電性能

玻璃纖維的介電系數較低，耐熱性良好，吸濕性小，并且不燃燒，無堿玻璃纖維制品在電氣、電機工業中有廣泛而有效的應用。

3.1.6 熱性能

玻璃纖維的導熱系數為：0.035W(m.K)，導熱系數越小，隔熱性能越好。玻璃纖維制品中玻璃棉制品由于其密度小，壽命長和耐高溫，被廣泛應用于建筑和工業的保溫、隔熱和隔冷，是一種優良的熱絕緣材料[3]。

3.2 玻璃纖維的化學性能

玻璃纖維屬于無機纖維，其耐酸耐堿性良好，此外其抗老化、防霉、抗紫外線性能良好[4]。

4 玻璃纖維的應用

在國外，玻璃纖維產品通過用途可以分為兩類：紡織制品和增強制品。其中，紡織制品包括：電子紗與電子布、工業用紗(傳統工業用紗和新型工業用紗)、工業用布；增強制品包括：增強熱固性塑料(增強用紗、增強用氈和增強用布)、增強熱塑性塑料、增強水泥及石膏、增強橡膠等。在國內，玻璃纖維的應用領域可以分為以下幾個方面：

4.1 電子電器領域

近年來國家對電子行業大力扶持，電子工業和數字網絡技術不斷發展，印制電路板工業得到了極大地刺激，而無堿玻璃纖維由于其優異的電絕緣性，帶動了其電子級玻璃纖維布產品的發展。

4.2 汽車工業領域

在汽車行業，市場逐漸向輕量、節能、環保方向發展，這就對汽車材料提出了更高的要求，復合材料的優勢也逐漸得到了體現，汽車行業對玻璃纖維復合材料的需求也正在逐漸加大。各個玻璃纖維生產廠家也在不斷的推出各種玻璃纖維產品。目前，汽車上應用的玻璃纖維增強復合材料包括:玻璃纖維增強熱塑性材料、片狀模塑材料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)、玻璃纖維氈增強熱塑性材料(GMT)以及手糊FRP制品[5]。

4.3 航空航天領域

在航空航天工業，玻璃纖維復合材料的應用更為廣泛。在航空領域，無論是民用還是軍用飛機，都有玻璃纖維復合材料的使用，如在飛機的內外側副翼、方向舵和擾流板等地方，波音公司制作的X-37航天飛機機翼也采用了玻璃纖維復合材料。在航天領域，火箭和航天器上的主承力構件大部分都是玻璃纖維復合材料制作的，“海神”等導彈的發動機殼體采用玻璃纖維增強熱塑性材料制作[6]。

4.4 風力發電領域

在風力發電行業，由于風電葉片逐漸朝大型、輕量化方向發展，因此輕質高強、耐蝕性好、具有可設計性的復合材料是目前大型風機葉片的首選材料。而玻璃纖維復合材料由于優于其他高性能材料而在風電葉片上得到了大量使用[7]。

4.5 生物醫學領域

玻璃纖維復合材料在生物醫學方向也受到了很大的關注。被用于生物醫學方面的有：骨外科固定器材(例如：夾板、繃帶、矯形支具等)、牙科器材(玻璃纖維根管樁由于其優良的生物相容性、與牙本質相近的彈性模量、機械強度高，因此受到了牙科器材的歡迎)、醫用光導纖維(內窺鏡、醫用光纖傳感器、全自動生化分析儀、光學相干斷層掃描技術)、濾材(血液過濾器、醫療用過濾器、呼吸過濾器等[8])、治療類(光纖激光美容術、光纖用于眼科手術、碎石激光)、醫學照明、急救器材(止血繃帶)、介入醫療用導絲、大型醫療器械外殼(CT外殼、GXR外殼、MRI外殼、PET-CT外殼等)、骨移植物(骨內固定復合材料、骨缺損修復復合材料、骨組織工程支架復合材料、藥物緩釋載體)[9]等。

5 國內外生產概況

5.1 國內生產概況

我國玻璃纖維工業興起于1958年，在改革開放之前，主要用于國防軍工；改革開放后轉向民用，并獲得迅速發展。1997年，玻璃纖維總產量為17萬噸。經過一段時間的飛速發展，到2002年，玻璃纖維總產量為35.5萬噸，其中，纖維增強熱塑性塑料總產量為17萬噸[10]。2003年，國內玻璃纖維生產總量為47.3萬噸，其中紡織玻璃纖維產量為15萬噸，增強玻璃纖維產量為27.8萬噸[11]。2004年，我國玻纖總產量達到65.25萬噸，其中池窯法產量達到41.2萬噸。2005年，我國玻纖行業總產量進一步提高到95萬噸，其中池窯法拉絲產量達到了66萬噸。截至2006年10月底，全國玻璃纖維的總產量達99.46萬噸[12]。2007年，我國的玻璃纖維產量達到160萬噸，位列世界第一。2010年，我國玻璃纖維紗總產量為255.6萬噸；2011年我國玻璃纖維產量超過了275萬噸[13]。為279.5萬噸；2012年為288.0萬噸；2013年為285.0萬噸；2014年為308萬噸；2015年為323萬噸；預計到2020年，我國玻璃纖維產量將達到400萬噸。

2010年到2015年期間，我國玻璃纖維增強熱塑性材料的發展速度逐漸超過了增強熱固性材料，但產量還未超過增強熱固性材料；在一些發達國家，玻纖增強熱塑性材料的產量已超過增強熱固性材料[14]。

5.2 國外生產概況

1938年，玻璃纖維誕生于美國。最早運用在軍事上，用于坦克部件、飛機機艙、武器外殼、防彈衣等。后來被應用于民用，在建筑和復合材料兩大領域得到了廣泛應用。經過70多年的發展，國外玻璃纖維行業發展到3000多個品種，50000多個規格，每種規格都有相應的用途。在國外，玻璃纖維一般以玻璃纖維增強制品的形式受到廣泛應用，在玻璃纖維紡織制品方面應用較少。

2003年，玻璃纖維全球總產量達到250萬噸[11]。其中，增強熱固性塑料產量為100萬噸，增強熱塑性塑料產量為70萬噸。2006年，全球玻璃纖維總產量達到了329萬噸，其中，增強熱固性塑料產量為128萬噸，增強熱塑性塑料產量為89.6萬噸[15]。2010年，世界玻璃纖維總產量為472萬噸；2011年，國際玻璃纖維總產量為488萬噸；2012年，總產量達到了530萬噸，2013年為520萬噸，2014年為550萬噸，2015年為570萬噸[14]。整體上，玻璃纖維產量呈現增長的趨勢，這說明了玻璃纖維因為其優異的性能受到了生產廠家的廣泛應用，并且在未來的發展中也呈現積極上升的趨勢。

6 玻璃纖維的發展趨勢

我國玻璃纖維的發展呈現以下三種發展趨勢：

(1)產品綜合性能要求變強。隨著各個行業技術的發展，對高性能材料的性能要求也越來越多，這就要求材料性能的多層次、綜合性強，因此玻璃纖維的發展也在朝著這個方向發展[16]。

(2)產品的“差異化”發展。各個行業都是在不斷日新月異的變化中的，材料的功能也在不斷接受著新的挑戰，對產品的功能要求也不一樣，因此，玻璃纖維的功能差異化是必然的發展趨勢。

(3)注重功能性玻璃纖維的開發。隨著玻璃纖維產品的不斷豐富，玻璃纖維增強復合材料在各個行業中得到了越來越多的應用，對玻璃纖維產品的功能性要求也越來越高，因此，重視功能性玻璃纖維的開發將成為不可抵擋的發展趨勢[17]。

玻璃纖維具有優異的物理化學性能，其復合材料的性能優于眾多傳統材料，因此廣泛應用于國民經濟的各個領域。玻璃纖維作為一種高性能材料將會有更大的發展空間，并且對國家的經濟發展和轉型升級有著重要意義。

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2016-08-30

韋鑫(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設計。

沈蘭萍(1958-)，女，教授，碩士生導師。

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