玻璃纤维在石墨制化工装备上的应用探析

张娄红 缪世阳 陈 燕

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 226011；2.南通星球石墨股份有限公司，江苏 南通 226541）

0 引言

玻璃纤维是一种性能优越的新型材料，它是由玻璃球或废旧玻璃通过高温熔融，然后通过金属模具拉丝或喷丝制成。玻璃纤维具有质轻、弹性好、强度高、耐热耐腐蚀性能好、电绝缘性能好等特点。玻璃纤维的应用非常广泛。在建筑行业中，它可以用于制作防火建筑材料、各种管道和储罐。在电子行业中，玻璃纤维可以用于制作电路板。在汽车和飞机等交通工具中，玻璃纤维被用来制造轻质、高强度的零部件。此外，玻璃纤维还被广泛用于体育器材、医疗器械、保温材料等领域。当前，石墨制化工装备制备过程同样开始应用玻璃纤维材料，值得重点分析。

1 玻璃纤维综述

1.1 玻璃纤维的特点

玻璃纤维是一种高性能的复合材料，具有许多优秀的物理和化学性能，具体来说：

（1）机械性能。玻璃纤维的抗拉强度可以达到3450兆帕（MPa），远高于许多其他材料。例如，钢的抗拉强度大约在400～500 MPa之间[1]。同时，由于其内部的微观结构，玻璃纤维具有良好的韧性和抗冲击性能；

（2）热性能。玻璃纤维的热膨胀系数（CTE）非常低，大约为5.0×10-7/°C，这使得其在热环境下能维持稳定的尺寸和性能[2]。同时，玻璃纤维的熔点很高，通常在1400～1600°C之间，使其具有出色的耐高温性能；

（3）电性能。玻璃纤维的介电常数在1MHz的频率下大约为4.5，这使得它在电子设备和电路板的应用非常广泛。同时，其体积电阻率极高，通常在1016ohm-cm以上，具有优秀的电绝缘性能；

（4）化学性质。玻璃纤维对大多数酸、碱和溶剂都有良好的抗腐蚀性。但需要注意的是，热碱和氢氟酸会对其造成破坏；

（5）重量。玻璃纤维的密度大约为2.5g/cm3，这比许多金属材料（如钢和铝）都要轻，使得其在需要轻质材料的应用中特别有用。

需要注意，上文提到的数据只是“一般性数据”，用于基础参考，在实际应用时，会受玻璃纤维类型和制造工艺的差异性而在一定程度上出现偏差。例如，E玻璃（电子玻璃）和S玻璃（高强度玻璃）在机械性能、热性能和化学性能等方面会有所差异。总体来看，玻璃纤维材料具有较强的应用价值，现阶段已经在多种材料、设备的制造过程中得到了较为广泛的应用。

1.2 玻璃纤维在石墨制化工装备上的应用优势

石墨是一种广泛用于化工装备制造的材料，因为它的耐腐蚀性、导电性和热稳定性都非常好[3]。然而，石墨的机械性能较弱，尤其是在冲击和振动环境下。玻璃纤维是一种高性能复合材料，其耐热、耐腐蚀、机械性能强等特点使其在石墨化工装备中的应用具有显著优势。具体来说：

（1）改善机械性能。上文提到，玻璃纤维的抗拉强度可以达到3450MPa，相比之下，石墨材料的抗拉强度通常在10～20MPa。通过将玻璃纤维复合到石墨材料中，可以大大提高装备的整体机械性能，包括抗冲击和抗振动性能；

（2）耐腐蚀性能。玻璃纤维对大多数酸、碱和溶剂都有良好的抗腐蚀性。尽管石墨本身也具有良好的耐腐蚀性，但在某些特殊的化学环境中，如高温高压、氧化或氢氟酸环境，玻璃纤维的耐腐蚀性能可能更优；

（3）热性能改良。上文对玻璃纤维的熔点、热膨胀系数进行了介绍。该材料的上述两项特点决定了该材料既能够在高温环境下维持稳定的性能，又可以在热环境下保持尺寸大小不发生变化。基于此，将玻璃纤维应用于石墨制化工装备时，装备在高温、高热环境下，外形几乎不会改变，功能依旧可以得到保留；

（4）重量方面的优势。玻璃纤维的密度大约为2.5g/cm3，这比石墨（约2.1～2.3g/cm3）稍重，但仍比许多金属材料（如钢和铝）轻。受此影响，在石墨制化工装备中适量加入玻璃纤维材质，可在提高装备整体性能的同时，不会大幅度增加重量，依然保留装备的轻巧、便捷的特性；

（5）成本方面的优势。相比于其他高性能复合材料（如碳纤维），玻璃纤维的成本相对较低，使得其在大规模工业应用中更具优势。具体来说：其一，原材料成本。玻璃纤维的主要原料是玻璃，价格较低，而碳纤维的主要原料是丙烯腈，价格较高。以2022年的数据为例，高质量的玻璃纤维的价格大约是2～5美元/公斤，而高质量的碳纤维的价格大约在10～25美元/公斤，甚至更高。其二，制造成本。玻璃纤维和碳纤维的制造过程都涉及高温和压力，但碳纤维的制造过程更复杂，包括聚合、氧化稳定、碳化和表面处理等步骤，因此，制造成本也更高；其三，处理和回收成本。碳纤维和玻璃纤维的废弃物处理和回收也是一个重要的成本因素。碳纤维难以回收，而且处理不当可能对环境造成影响，因此，处理和回收的成本也相对较高。

2 玻璃纤维在石墨制化工装备上的具体应用分析

2.1 玻璃纤维在石墨化工反应器等装备中的应用

玻璃纤维在石墨制化工装备中的应用主要是作为增强材料，用于改善石墨的机械性能和耐腐蚀性能。基本原理是，石墨虽然具有良好的耐热性和电导性，但其机械性能和耐腐蚀性能相对较弱，故加入玻璃纤维之后，能够使石墨制化工装备原本的“弱性能”得到极大地加强。具体来说：石墨是一种理想的反应器内衬材料，因为它具有良好的耐热性和导电性，而且对大多数化学物质都有很好的化学稳定性。然而，纯石墨的机械性能并不理想，特别是在承受冲击和振动时。玻璃纤维的抗拉强度与石墨相比，差异性达到3450÷10～20=345～172.5倍，将玻璃纤维作为增强材料添加到石墨中，可以大大提高反应器的整体机械性能。此外，玻璃纤维对大多数酸、碱和溶剂都有良好的耐腐蚀性。因此，尽管石墨本身对大多数化学物质都有良好的稳定性，但在某些高温和高压的化学环境中，玻璃纤维的耐腐蚀性能可能更强。比如化工厂生产硫酸时，使用了一种内衬为石墨，外壳为玻璃纤维复合材料的反应器。由于硫酸生产过程涉及高温和高压，以及对设备有很强的腐蚀性，因此对反应器的材料性能要求很高。使用这种复合材料的反应器，不仅具有良好的耐腐蚀性，而且由于玻璃纤维的加强，其机械性能也大大提高，能够安全可靠地工作。根据工厂的数据，这种反应器的使用寿命比传统的金属反应器提高了2倍以上。此外，使用玻璃纤维增强的石墨反应器还有其他的优点。例如，由于玻璃纤维的热膨胀系数低，反应器的尺寸在高温下变化小，这有助于保持反应条件的稳定。此外，由于玻璃纤维的成本低，这种复合材料反应器的总成本也低于许多其他类型的反应器。

除了化工反应器之外，石墨管道材料、石墨热交换器等化工装备制备过程中加入玻璃纤维材料的原理大同小异，均是为了弥补石墨材料在机械性能方面的弱点。

2.2 玻璃纤维应用于石墨制化工装备时的工艺分析

玻璃纤维材料在石墨制化工装备中应用时，一般有两种工艺。

（1）立式缠绕。这种工艺模式的优点在于：其一，简化了制造过程，因为设备可以在其最终的工作位置进行缠绕。其二，对于高、细长的部件，如柱子或管道，立式缠绕工艺更合适，因为它可以提供更好的对称性和平衡。其三，可以实现连续的生产过程，从而提高生产效率。缺点在于：其一，对于大型或重型部件，可能需要额外的支撑结构来维持其在缠绕过程中的稳定性；其二，可能需要更多的地板空间，因为设备需要在立式状态下进行缠绕；其三，对于某些复杂的部件形状，立式缠绕可能不如卧式缠绕灵活；

（2）卧式缠绕。这种工艺模式的优点在于：其一，对于大型或重型部件，卧式缠绕可以提供更好的稳定性，无需额外的支撑结构；其二，卧式缠绕可以适应更复杂的部件形状，因为它可以在多个方向上进行缠绕；其三，卧式缠绕为设备的运输和安装提供了便利，因为部件可以在卧式状态下进行包装和运输。缺点在于：其一，对于高的、细长的部件，卧式缠绕可能导致缠绕不均匀，影响部件的对称性和平衡；其二，卧式缠绕的操作步骤更加复杂，例如将部件从立式转移到卧式，从而可能影响生产效率。

总体来说，玻璃纤维材料在石墨制化工装备中应用时，应根据实际条件，合理选择缠绕工艺，最终目的是充分发挥玻璃纤维材料的性能，弥补石墨材料的不足之处。

3 结语

综上所述，玻璃纤维在石墨制化工装备中的应用有着显著的优势——能够全面补充石墨材料欠缺的机械性能和热稳定性能，从而使石墨制化工装备的抗拉伸强度、抗挤压强度、在高温高热环境下的稳定性达到平均标准之上，最终大幅度提高设备的性能和寿命。