玻璃纤维的研究现状及发展趋势

韦 鑫，沈兰萍

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)



玻璃纤维的研究现状及发展趋势

韦 鑫，沈兰萍

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)

玻璃纤维是一种具有优异的物理化学性能的高性能纤维，在社会生活中的各个行业均有广泛的应用。介绍了玻璃纤维的生产工艺、分类、性能、应用领域、国内外生产概况及发展趋势。

高性能纤维 应用领域 生产概况 发展趋势

0 引言

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，以叶蜡石、石英砂、石灰石等天然无机非金属矿石为原料，按一定的配方经高温熔制、拉丝、络纱等数道工艺秘制而成，具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、隔热、吸音、电绝缘性能好等优异性能，通常作为增强材料，并以复合材料的形式应用于各个行业。

1 玻璃纤维的生产工艺

玻璃纤维的生产技术可分为两种：一种为坩埚法(也称为球法或者二步法)，另一种为池窑法(也称为一步法)。坩埚法是将玻璃等原料融化后制成玻璃球，再将玻璃球加入坩埚内二次熔融，之后拉制成玻璃纤维丝。这种方法工序繁杂，需要经过二次熔融，浪费能源，其生产产能逐渐降低，但是其产品方案调节灵活、投资小、技术要求不高，较适用于中小企业。池窑法是指将玻璃配合料熔融后直接拉制成玻璃纤维丝。随着池窑法的发展，我国使用坩锅法生产玻璃纤维的比例正逐渐降低[1]。

2 玻璃纤维的分类

玻璃纤维按照原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。

2.1 按照原料成分分类

碱金属氧化物是普通玻璃的主要组成成分，因此将它作为主要的分类标准进行分类，由此，玻璃纤维根据原料成分中碱含量的不同可以分为：

无碱纤维(也称“E玻璃”)，其氧化物含量小于0.8%，是一种铝硼硅酸盐成分；

中碱纤维，其氧化物含量为11.9%-16.4%，是一种钠钙硅酸盐成分，因其含碱量高，不能作电绝缘材料，但其化学稳定性和强度尚好；

高碱纤维，其氧化物含量等于或大于15%的玻璃成分；

特种玻璃纤维，如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强高弹玻璃纤维；硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维；含铝纤维；高硅氧纤维；石英纤维等。

2.2 按照单丝直径分类

玻璃纤维单丝截面呈圆形，其直径就代表粗细，根据直径的范围可以分为以下几类：

粗纤维：其单丝直径一般为30um；

初级纤维：其单丝直径大于20um；

中级纤维：单丝直径10um-20um；

高级纤维：(亦称纺织纤维)其单丝直径3um-10um；

超细纤维：单丝直径小于4um。

2.3 按照纤维外观分类

根据纤维外观进行的分类即根据纤维的长度和形态进行分类，可以分为以下几类：

连续纤维：又称为纺织纤维，它是无限延续的纤维，主要由漏板法拉制而成，可用于制作线、绳、布、带等制品；

定长纤维：长度在300mm～500mm，一般做成毛纱或者毡片使用，纤维在毡片中杂乱排列；

玻璃棉：又称短棉，纤维长度较短，一般在150mm以下，主要用作吸声、保温材料。

2.4 按照纤维特性分类

根据实际应用中的不同要求，生产纤维时需考虑不同的性能要求，因此可以将玻璃纤维分为：高强玻璃纤维，高模量玻璃纤维，耐高温玻璃纤维，耐碱玻璃纤维，耐酸玻璃纤维，普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)，光学纤维，低介电常数玻璃纤维；导电纤维等。

3 玻璃纤维的性能

3.1 玻璃纤维的物理性能

3.1.1 密度

玻璃纤维密度一般高于有机纤维，但低于金属纤维，其无碱玻璃纤维一般大于有碱玻璃纤维的密度[2]。由于其优异的物理化学性质，并且和铝的密度相近，因此近年来，在航空航天领域逐渐用玻璃钢来代替铝钛合金制品。

3.1.2 断裂强度

玻璃纤维的断裂强度为1370～1470N，比相同质量钢丝的断裂强度高2～4倍。

3.1.3 尺寸稳定性

玻璃纤维在拉伸过程中，其应力应变呈现线性关系，中间没有屈服点，直至断裂，其最大的伸长率为3%，去掉负荷之后恢复到原长，因此其尺寸稳定性非常好。

3.1.4 耐磨性和耐折性

耐磨性是指抗摩擦的能力，耐折性是指抗折断的能力，玻璃纤维的这两种性能都很差。

3.1.5 电性能

玻璃纤维的介电系数较低，耐热性良好，吸湿性小，并且不燃烧，无碱玻璃纤维制品在电气、电机工业中有广泛而有效的应用。

3.1.6 热性能

玻璃纤维的导热系数为：0.035W(m.K)，导热系数越小，隔热性能越好。玻璃纤维制品中玻璃棉制品由于其密度小，寿命长和耐高温，被广泛应用于建筑和工业的保温、隔热和隔冷，是一种优良的热绝缘材料[3]。

3.2 玻璃纤维的化学性能

玻璃纤维属于无机纤维，其耐酸耐碱性良好，此外其抗老化、防霉、抗紫外线性能良好[4]。

4 玻璃纤维的应用

在国外，玻璃纤维产品通过用途可以分为两类：纺织制品和增强制品。其中，纺织制品包括：电子纱与电子布、工业用纱(传统工业用纱和新型工业用纱)、工业用布；增强制品包括：增强热固性塑料(增强用纱、增强用毡和增强用布)、增强热塑性塑料、增强水泥及石膏、增强橡胶等。在国内，玻璃纤维的应用领域可以分为以下几个方面：

4.1 电子电器领域

近年来国家对电子行业大力扶持，电子工业和数字网络技术不断发展，印制电路板工业得到了极大地刺激，而无碱玻璃纤维由于其优异的电绝缘性，带动了其电子级玻璃纤维布产品的发展。

4.2 汽车工业领域

在汽车行业，市场逐渐向轻量、节能、环保方向发展，这就对汽车材料提出了更高的要求，复合材料的优势也逐渐得到了体现，汽车行业对玻璃纤维复合材料的需求也正在逐渐加大。各个玻璃纤维生产厂家也在不断的推出各种玻璃纤维产品。目前，汽车上应用的玻璃纤维增强复合材料包括:玻璃纤维增强热塑性材料、片状模塑材料(SMC)、树脂传递模塑材料(RTM)、玻璃纤维毡增强热塑性材料(GMT)以及手糊FRP制品[5]。

4.3 航空航天领域

在航空航天工业，玻璃纤维复合材料的应用更为广泛。在航空领域，无论是民用还是军用飞机，都有玻璃纤维复合材料的使用，如在飞机的内外侧副翼、方向舵和扰流板等地方，波音公司制作的X-37航天飞机机翼也采用了玻璃纤维复合材料。在航天领域，火箭和航天器上的主承力构件大部分都是玻璃纤维复合材料制作的，“海神”等导弹的发动机壳体采用玻璃纤维增强热塑性材料制作[6]。

4.4 风力发电领域

在风力发电行业，由于风电叶片逐渐朝大型、轻量化方向发展，因此轻质高强、耐蚀性好、具有可设计性的复合材料是目前大型风机叶片的首选材料。而玻璃纤维复合材料由于优于其他高性能材料而在风电叶片上得到了大量使用[7]。

4.5 生物医学领域

玻璃纤维复合材料在生物医学方向也受到了很大的关注。被用于生物医学方面的有：骨外科固定器材(例如：夹板、绷带、矫形支具等)、牙科器材(玻璃纤维根管桩由于其优良的生物相容性、与牙本质相近的弹性模量、机械强度高，因此受到了牙科器材的欢迎)、医用光导纤维(内窥镜、医用光纤传感器、全自动生化分析仪、光学相干断层扫描技术)、滤材(血液过滤器、医疗用过滤器、呼吸过滤器等[8])、治疗类(光纤激光美容术、光纤用于眼科手术、碎石激光)、医学照明、急救器材(止血绷带)、介入医疗用导丝、大型医疗器械外壳(CT外壳、GXR外壳、MRI外壳、PET-CT外壳等)、骨移植物(骨内固定复合材料、骨缺损修复复合材料、骨组织工程支架复合材料、药物缓释载体)[9]等。

5 国内外生产概况

5.1 国内生产概况

我国玻璃纤维工业兴起于1958年，在改革开放之前，主要用于国防军工；改革开放后转向民用，并获得迅速发展。1997年，玻璃纤维总产量为17万吨。经过一段时间的飞速发展，到2002年，玻璃纤维总产量为35.5万吨，其中，纤维增强热塑性塑料总产量为17万吨[10]。2003年，国内玻璃纤维生产总量为47.3万吨，其中纺织玻璃纤维产量为15万吨，增强玻璃纤维产量为27.8万吨[11]。2004年，我国玻纤总产量达到65.25万吨，其中池窑法产量达到41.2万吨。2005年，我国玻纤行业总产量进一步提高到95万吨，其中池窑法拉丝产量达到了66万吨。截至2006年10月底，全国玻璃纤维的总产量达99.46万吨[12]。2007年，我国的玻璃纤维产量达到160万吨，位列世界第一。2010年，我国玻璃纤维纱总产量为255.6万吨；2011年我国玻璃纤维产量超过了275万吨[13]。为279.5万吨；2012年为288.0万吨；2013年为285.0万吨；2014年为308万吨；2015年为323万吨；预计到2020年，我国玻璃纤维产量将达到400万吨。

2010年到2015年期间，我国玻璃纤维增强热塑性材料的发展速度逐渐超过了增强热固性材料，但产量还未超过增强热固性材料；在一些发达国家，玻纤增强热塑性材料的产量已超过增强热固性材料[14]。

5.2 国外生产概况

1938年，玻璃纤维诞生于美国。最早运用在军事上，用于坦克部件、飞机机舱、武器外壳、防弹衣等。后来被应用于民用，在建筑和复合材料两大领域得到了广泛应用。经过70多年的发展，国外玻璃纤维行业发展到3000多个品种，50000多个规格，每种规格都有相应的用途。在国外，玻璃纤维一般以玻璃纤维增强制品的形式受到广泛应用，在玻璃纤维纺织制品方面应用较少。

2003年，玻璃纤维全球总产量达到250万吨[11]。其中，增强热固性塑料产量为100万吨，增强热塑性塑料产量为70万吨。2006年，全球玻璃纤维总产量达到了329万吨，其中，增强热固性塑料产量为128万吨，增强热塑性塑料产量为89.6万吨[15]。2010年，世界玻璃纤维总产量为472万吨；2011年，国际玻璃纤维总产量为488万吨；2012年，总产量达到了530万吨，2013年为520万吨，2014年为550万吨，2015年为570万吨[14]。整体上，玻璃纤维产量呈现增长的趋势，这说明了玻璃纤维因为其优异的性能受到了生产厂家的广泛应用，并且在未来的发展中也呈现积极上升的趋势。

6 玻璃纤维的发展趋势

我国玻璃纤维的发展呈现以下三种发展趋势：

(1)产品综合性能要求变强。随着各个行业技术的发展，对高性能材料的性能要求也越来越多，这就要求材料性能的多层次、综合性强，因此玻璃纤维的发展也在朝着这个方向发展[16]。

(2)产品的“差异化”发展。各个行业都是在不断日新月异的变化中的，材料的功能也在不断接受着新的挑战，对产品的功能要求也不一样，因此，玻璃纤维的功能差异化是必然的发展趋势。

(3)注重功能性玻璃纤维的开发。随着玻璃纤维产品的不断丰富，玻璃纤维增强复合材料在各个行业中得到了越来越多的应用，对玻璃纤维产品的功能性要求也越来越高，因此，重视功能性玻璃纤维的开发将成为不可抵挡的发展趋势[17]。

玻璃纤维具有优异的物理化学性能，其复合材料的性能优于众多传统材料，因此广泛应用于国民经济的各个领域。玻璃纤维作为一种高性能材料将会有更大的发展空间，并且对国家的经济发展和转型升级有着重要意义。

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2016-08-30

韦鑫(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料与纺织品设计。

沈兰萍(1958-)，女，教授，硕士生导师。

TS102

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1008-5580(2016)04-0178-04