玻璃纖維的制備技術及存在問題

■何東

〔塔城地區(qū)纖維檢驗所，新疆烏蘇833000〕

玻璃纖維的制備技術及存在問題

■何東

〔塔城地區(qū)纖維檢驗所，新疆烏蘇833000〕

一、概述

玻璃纖維是一種新型功能無機非金屬材料，它可以代替金屬材料。其單絲非常細，直徑從幾微米到二十幾微米不等，大約為頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維都有數百甚至上千根單絲集束組成，通常作為電絕緣材料、增強材料、絕熱保溫材料等。玻璃纖維工業(yè)自開創(chuàng)以來，其產量、生產工藝、品種規(guī)格和應用領域在不斷發(fā)展，上世紀60年代，飛機上開始使用玻璃纖維材料，但由于當時的價格昂貴、工藝性能欠佳，未能獲得進一步的發(fā)展和重視。隨著技術的改進和產品質量的提高，玻璃纖維越來越多地在軍事方面得到應用，特別是航天、航空工業(yè)，約占其所用的增強纖維中的2/3。由于玻璃纖維具有強度高、電絕緣、耐高溫等諸多優(yōu)異特性，使其應用領域非常廣闊，成為我國不可或缺的可持續(xù)發(fā)展的高新技術材料。

二、玻璃纖維的制備

（一）玻璃纖維的分類及特點

玻璃纖維的主要成分為二氧化硅、氧化鈣、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈉等，根據玻璃中堿性氧化物含量的不同，可將其分為高堿性玻璃纖維（Na2O 13%以上）、中堿性玻璃纖維（Na2O 8%～12%）和無堿性玻璃纖維（Na2O 0～2%）。

高堿性玻璃纖維中的堿性氧化物含量高，故而存在耐水和耐堿性差、強度低的缺陷。

中堿性璃纖維因其含堿性氧化物量比較高，不能作電絕緣材料，但是它卻有著較高的強度和較好的化學穩(wěn)定性。故可作為對電性能要求不是特別高的玻璃鋼增強材料，一般可作乳膠布、酸性過濾布、窗紗基材等。

無堿性玻璃是一種硼硅酸鹽玻璃，也稱為E玻璃纖維。其堿性氧化物含量不足2%，是目前應用最廣泛的一種纖維材料，有著良好的機械性能和電絕緣性，廣泛用于生產玻璃鋼用玻璃纖維，也大量用于生產電絕緣用玻璃纖維，但它容易被無機酸侵蝕，故不適于在強酸性環(huán)境中使用。

（二）生產用原料要求

玻璃纖維生產的主要原料是：工業(yè)級的石英砂、氧化鋁和葉蠟石、石灰石、硼酸、純堿、芒硝、螢石等。

生產方式可分為兩類：（1）將熔融玻璃直接制成纖維；（2）先將熔融玻璃制成直徑較小的玻璃球或棒，再經高溫加熱重熔后制成直徑為3 μm～80 μm的纖維。

（三）生產工藝流程要求

玻璃纖維的生產工藝大致有兩種：兩次成型——坩堝拉絲法，一次成型——池窯拉絲法。

坩堝拉絲法工藝流程長，需先將玻璃原料在高溫條件下熔制成玻璃球，再將其二次熔化，后經高速拉絲最終制成玻璃纖維原絲。該法流程長、能耗高、工藝不穩(wěn)定、生產效率低，基本已被淘汰。

池窯拉絲法先根據產品所需將各種原料精細計算、稱量、混合后投入熔窯內，經高溫熔融制成玻璃液體，當玻璃液從漏板孔流出的時候，受到拉絲機的牽引，制成原絲。原絲經過加捻，整經等工序即可織成各種結構和性能的織物。該法流程短、節(jié)能降耗、工藝穩(wěn)定、高效高產，便于大規(guī)模全自動化生產，是當前最先進的生產方式，已是國際上的主流技術。

三、存在問題

（一）玻璃析晶問題

高強玻璃由SiO2、Al2O3、MgO主要玻璃成份組成，它兼具有高的強度和高的結晶上限溫度，快的晶體生長速度，在生產中更易產生結晶而中止生產過程。

目前造成生產中析晶的原因，主要是玻璃原料中的雜質、窯爐和拉絲代鉑爐升溫過程中在玻璃結晶溫度區(qū)停留時間長和拉絲漏板二端區(qū)散熱大，溫度低造成漏嘴結晶。

（二）原絲線密度變化大

高強拉絲工藝是采用手工加料，一次加料量高達1.5 kg以上，液面波動大，靜壓變化大，且對電熔式代鉑爐而言，當大量的冷玻璃加入后，爐內電力線分布崎變，熱點下移，致使流入漏板區(qū)的玻璃液溫度提高，粘度降低，流量增大，原絲線密度變大。二者的綜合結果造成原絲線密度變化大。

解決方法有二種：一種是實現自動加球，目前已基本完成該裝置的設計、選型、加工和調試，并在200孔上試用，效果較明顯。另一種是用漏板恒溫控制替代目前的恒壓控制，提高進入漏嘴區(qū)玻璃液溫度的控制精度，使玻璃流量均勻，從而確保線密度穩(wěn)定。

（三）高強玻璃及纖維成型能耗大

目前高強玻璃耗電約6 kW/kg，原絲約8 kW/kg，遠高于無堿球（2.75 kW/kg）和原絲的耗電量。電耗占高強纖維生產總成本的20%左右，它是高強玻纖產品價格居高不下的重要原因之一。

解決辦法：（1）發(fā)展200孔生產技術及其產品，可有效降低能耗。（2）改用以SiO2、Al2O3化合態(tài)的物質如葉臘石替代單質的石英和氧化鋁粉原料配制玻璃配合料，提高熔窯的玻璃熔化能力。（3）研究解決無水冷鉬電極的保護技術。（4）研究選用新的耐火材料，既能保證玻璃液質量，保證纖維強度，又能免除冷卻磚材的水包，減少冷卻水帶走的能耗。（5）擴大熔窯生產能力，減少單位玻璃的能耗。

四、結論

玻璃纖維由于具有技術含量高、生產效率高、產品性能獨特等特點，有著廣闊的應用領域和市場前景，已逐漸成為衡量一個國家和地區(qū)紡織品加工工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。在我國，玻璃纖維起步于20世紀50年代，經過半個多世紀的努力，也有著非凡的發(fā)展。玻纖市場供不應求，在纏繞和SMC等FRSP產品生產中，玻纖缺口量在20%左右；增強塑料和工程塑料的發(fā)展推動FRTP的快速發(fā)展也使玻纖供應不足。節(jié)能減排的戰(zhàn)略決策推動玻璃纖維市場的發(fā)展。相信通過科技創(chuàng)新和工藝改進，可以逐步實現我國玻璃纖維高端產品的大規(guī)模生產。☆