玻璃纖維在石墨制化工裝備上的應(yīng)用探析

張婁紅 繆世陽 陳 燕

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 226011；2.南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541）

0 引言

玻璃纖維是一種性能優(yōu)越的新型材料，它是由玻璃球或廢舊玻璃通過高溫熔融，然后通過金屬模具拉絲或噴絲制成。玻璃纖維具有質(zhì)輕、彈性好、強度高、耐熱耐腐蝕性能好、電絕緣性能好等特點。玻璃纖維的應(yīng)用非常廣泛。在建筑行業(yè)中，它可以用于制作防火建筑材料、各種管道和儲罐。在電子行業(yè)中，玻璃纖維可以用于制作電路板。在汽車和飛機等交通工具中，玻璃纖維被用來制造輕質(zhì)、高強度的零部件。此外，玻璃纖維還被廣泛用于體育器材、醫(yī)療器械、保溫材料等領(lǐng)域。當前，石墨制化工裝備制備過程同樣開始應(yīng)用玻璃纖維材料，值得重點分析。

1 玻璃纖維綜述

1.1 玻璃纖維的特點

玻璃纖維是一種高性能的復(fù)合材料，具有許多優(yōu)秀的物理和化學性能，具體來說：

（1）機械性能。玻璃纖維的抗拉強度可以達到3450兆帕（MPa），遠高于許多其他材料。例如，鋼的抗拉強度大約在400～500 MPa之間[1]。同時，由于其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，玻璃纖維具有良好的韌性和抗沖擊性能；

（2）熱性能。玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)（CTE）非常低，大約為5.0×10-7/°C，這使得其在熱環(huán)境下能維持穩(wěn)定的尺寸和性能[2]。同時，玻璃纖維的熔點很高，通常在1400～1600°C之間，使其具有出色的耐高溫性能；

（3）電性能。玻璃纖維的介電常數(shù)在1MHz的頻率下大約為4.5，這使得它在電子設(shè)備和電路板的應(yīng)用非常廣泛。同時，其體積電阻率極高，通常在1016ohm-cm以上，具有優(yōu)秀的電絕緣性能；

（4）化學性質(zhì)。玻璃纖維對大多數(shù)酸、堿和溶劑都有良好的抗腐蝕性。但需要注意的是，熱堿和氫氟酸會對其造成破壞；

（5）重量。玻璃纖維的密度大約為2.5g/cm3，這比許多金屬材料（如鋼和鋁）都要輕，使得其在需要輕質(zhì)材料的應(yīng)用中特別有用。

需要注意，上文提到的數(shù)據(jù)只是“一般性數(shù)據(jù)”，用于基礎(chǔ)參考，在實際應(yīng)用時，會受玻璃纖維類型和制造工藝的差異性而在一定程度上出現(xiàn)偏差。例如，E玻璃（電子玻璃）和S玻璃（高強度玻璃）在機械性能、熱性能和化學性能等方面會有所差異。總體來看，玻璃纖維材料具有較強的應(yīng)用價值，現(xiàn)階段已經(jīng)在多種材料、設(shè)備的制造過程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 玻璃纖維在石墨制化工裝備上的應(yīng)用優(yōu)勢

石墨是一種廣泛用于化工裝備制造的材料，因為它的耐腐蝕性、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性都非常好[3]。然而，石墨的機械性能較弱，尤其是在沖擊和振動環(huán)境下。玻璃纖維是一種高性能復(fù)合材料，其耐熱、耐腐蝕、機械性能強等特點使其在石墨化工裝備中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢。具體來說：

（1）改善機械性能。上文提到，玻璃纖維的抗拉強度可以達到3450MPa，相比之下，石墨材料的抗拉強度通常在10～20MPa。通過將玻璃纖維復(fù)合到石墨材料中，可以大大提高裝備的整體機械性能，包括抗沖擊和抗振動性能；

（2）耐腐蝕性能。玻璃纖維對大多數(shù)酸、堿和溶劑都有良好的抗腐蝕性。盡管石墨本身也具有良好的耐腐蝕性，但在某些特殊的化學環(huán)境中，如高溫高壓、氧化或氫氟酸環(huán)境，玻璃纖維的耐腐蝕性能可能更優(yōu)；

（3）熱性能改良。上文對玻璃纖維的熔點、熱膨脹系數(shù)進行了介紹。該材料的上述兩項特點決定了該材料既能夠在高溫環(huán)境下維持穩(wěn)定的性能，又可以在熱環(huán)境下保持尺寸大小不發(fā)生變化。基于此，將玻璃纖維應(yīng)用于石墨制化工裝備時，裝備在高溫、高熱環(huán)境下，外形幾乎不會改變，功能依舊可以得到保留；

（4）重量方面的優(yōu)勢。玻璃纖維的密度大約為2.5g/cm3，這比石墨（約2.1～2.3g/cm3）稍重，但仍比許多金屬材料（如鋼和鋁）輕。受此影響，在石墨制化工裝備中適量加入玻璃纖維材質(zhì)，可在提高裝備整體性能的同時，不會大幅度增加重量，依然保留裝備的輕巧、便捷的特性；

（5）成本方面的優(yōu)勢。相比于其他高性能復(fù)合材料（如碳纖維），玻璃纖維的成本相對較低，使得其在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用中更具優(yōu)勢。具體來說：其一，原材料成本。玻璃纖維的主要原料是玻璃，價格較低，而碳纖維的主要原料是丙烯腈，價格較高。以2022年的數(shù)據(jù)為例，高質(zhì)量的玻璃纖維的價格大約是2～5美元/公斤，而高質(zhì)量的碳纖維的價格大約在10～25美元/公斤，甚至更高。其二，制造成本。玻璃纖維和碳纖維的制造過程都涉及高溫和壓力，但碳纖維的制造過程更復(fù)雜，包括聚合、氧化穩(wěn)定、碳化和表面處理等步驟，因此，制造成本也更高；其三，處理和回收成本。碳纖維和玻璃纖維的廢棄物處理和回收也是一個重要的成本因素。碳纖維難以回收，而且處理不當可能對環(huán)境造成影響，因此，處理和回收的成本也相對較高。

2 玻璃纖維在石墨制化工裝備上的具體應(yīng)用分析

2.1 玻璃纖維在石墨化工反應(yīng)器等裝備中的應(yīng)用

玻璃纖維在石墨制化工裝備中的應(yīng)用主要是作為增強材料，用于改善石墨的機械性能和耐腐蝕性能。基本原理是，石墨雖然具有良好的耐熱性和電導(dǎo)性，但其機械性能和耐腐蝕性能相對較弱，故加入玻璃纖維之后，能夠使石墨制化工裝備原本的“弱性能”得到極大地加強。具體來說：石墨是一種理想的反應(yīng)器內(nèi)襯材料，因為它具有良好的耐熱性和導(dǎo)電性，而且對大多數(shù)化學物質(zhì)都有很好的化學穩(wěn)定性。然而，純石墨的機械性能并不理想，特別是在承受沖擊和振動時。玻璃纖維的抗拉強度與石墨相比，差異性達到3450÷10～20=345～172.5倍，將玻璃纖維作為增強材料添加到石墨中，可以大大提高反應(yīng)器的整體機械性能。此外，玻璃纖維對大多數(shù)酸、堿和溶劑都有良好的耐腐蝕性。因此，盡管石墨本身對大多數(shù)化學物質(zhì)都有良好的穩(wěn)定性，但在某些高溫和高壓的化學環(huán)境中，玻璃纖維的耐腐蝕性能可能更強。比如化工廠生產(chǎn)硫酸時，使用了一種內(nèi)襯為石墨，外殼為玻璃纖維復(fù)合材料的反應(yīng)器。由于硫酸生產(chǎn)過程涉及高溫和高壓，以及對設(shè)備有很強的腐蝕性，因此對反應(yīng)器的材料性能要求很高。使用這種復(fù)合材料的反應(yīng)器，不僅具有良好的耐腐蝕性，而且由于玻璃纖維的加強，其機械性能也大大提高，能夠安全可靠地工作。根據(jù)工廠的數(shù)據(jù)，這種反應(yīng)器的使用壽命比傳統(tǒng)的金屬反應(yīng)器提高了2倍以上。此外，使用玻璃纖維增強的石墨反應(yīng)器還有其他的優(yōu)點。例如，由于玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)低，反應(yīng)器的尺寸在高溫下變化小，這有助于保持反應(yīng)條件的穩(wěn)定。此外，由于玻璃纖維的成本低，這種復(fù)合材料反應(yīng)器的總成本也低于許多其他類型的反應(yīng)器。

除了化工反應(yīng)器之外，石墨管道材料、石墨熱交換器等化工裝備制備過程中加入玻璃纖維材料的原理大同小異，均是為了彌補石墨材料在機械性能方面的弱點。

2.2 玻璃纖維應(yīng)用于石墨制化工裝備時的工藝分析

玻璃纖維材料在石墨制化工裝備中應(yīng)用時，一般有兩種工藝。

（1）立式纏繞。這種工藝模式的優(yōu)點在于：其一，簡化了制造過程，因為設(shè)備可以在其最終的工作位置進行纏繞。其二，對于高、細長的部件，如柱子或管道，立式纏繞工藝更合適，因為它可以提供更好的對稱性和平衡。其三，可以實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)過程，從而提高生產(chǎn)效率。缺點在于：其一，對于大型或重型部件，可能需要額外的支撐結(jié)構(gòu)來維持其在纏繞過程中的穩(wěn)定性；其二，可能需要更多的地板空間，因為設(shè)備需要在立式狀態(tài)下進行纏繞；其三，對于某些復(fù)雜的部件形狀，立式纏繞可能不如臥式纏繞靈活；

（2）臥式纏繞。這種工藝模式的優(yōu)點在于：其一，對于大型或重型部件，臥式纏繞可以提供更好的穩(wěn)定性，無需額外的支撐結(jié)構(gòu)；其二，臥式纏繞可以適應(yīng)更復(fù)雜的部件形狀，因為它可以在多個方向上進行纏繞；其三，臥式纏繞為設(shè)備的運輸和安裝提供了便利，因為部件可以在臥式狀態(tài)下進行包裝和運輸。缺點在于：其一，對于高的、細長的部件，臥式纏繞可能導(dǎo)致纏繞不均勻，影響部件的對稱性和平衡；其二，臥式纏繞的操作步驟更加復(fù)雜，例如將部件從立式轉(zhuǎn)移到臥式，從而可能影響生產(chǎn)效率。

總體來說，玻璃纖維材料在石墨制化工裝備中應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實際條件，合理選擇纏繞工藝，最終目的是充分發(fā)揮玻璃纖維材料的性能，彌補石墨材料的不足之處。

3 結(jié)語

綜上所述，玻璃纖維在石墨制化工裝備中的應(yīng)用有著顯著的優(yōu)勢——能夠全面補充石墨材料欠缺的機械性能和熱穩(wěn)定性能，從而使石墨制化工裝備的抗拉伸強度、抗擠壓強度、在高溫高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性達到平均標準之上，最終大幅度提高設(shè)備的性能和壽命。