第2章玻璃纤维PPT课件

1 第二篇组分材料 复合材料是一种多相材料 在复合材料中 增强材料作为分散相 树脂基体作为分散介质 互不溶混而构成一个整体结构 在增强材料和基体树脂之间 还存在着第三相 增强材料与基体之间的界面 增强材料 基体树脂和增强材料 基体树脂的界面 这三个单元的有机组合 使复合材料具有增强材料或基体树脂单独存在时所不具备的优良性能 本篇分章讨论聚合物基复合材料的三个组分单元 2 2 1概述2 1 1添加剂是指被物理地分散在聚合物基体中 而不明显地影响聚合物分子结构的那些辅助材料 1 提高稳定性能 2 改善力学性能 3 改善加工性能 4 改进表面性能和外观的添加剂 5 提高耐热性能 6 改变其他性能 第2章增强材料 3 2 1 2 增强纤维的品种与性能 复合材料组分之一是增强材料或称增强剂 其主要功能是显著提高基体材料的机械性能 即赋予复合材料的高强度和高模量等力学性能 增强剂的形态 微粒 薄片 纤维等 其中纤维状增强效果最好 例如 块状石墨是脆性材料 它的拉伸强度为689MP 商用石墨纤维的拉伸强度在1700 2800MP 4 连续长纤维复合材料 5 主要纤维品种 1 无机纤维 1 玻璃纤维 2 碳纤维 聚丙稀腈基碳纤维 沥青基碳纤维 3 硼纤维 4 碳化纤维 5 氧化铝纤维2 有机纤维 1 刚性分子链 对位芳酰胺 聚苯并噁 聚芳酯 2 柔性分子链 聚乙烯 聚乙烯醇 6 有关纤维的增强作用将在复合材料力学性能章节中讨论 本章只讨论纤维本身的组成 制备 结构与性能 重点介绍目前聚合物基复合材料常用的玻璃纤维 碳纤维和芳纶等增强材料 为复合材料的材料设计 制造和应用等打下基础 7 2 2玻璃纤维玻璃纤维是将熔融的玻璃液 以极快的速度拉成细丝而成 由于它很细 因而除了具备普通块状玻璃的一些性质外 还具备一些新的特点 如消失了玻璃的脆性 变的质地柔软 具有弹性 可并股 加捻 纺织成各种玻璃布 玻璃带等织物 玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料 玻璃纤维的概况 8 普遍采用池窑拉丝新技术 大力发展多排多孔拉丝工艺 用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展 纤维直径为14 24 m 甚至达27 m 大量生产无碱纤维 大力发展无纺织玻璃纤维织物 无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加 重视纤维 树脂界面的研究 偶联剂的品种不断增加 玻璃纤维的前处理受到普遍重视 国外进展 9 我国玻璃纤维工业诞生于1950年 当时只能生产绝缘材料用的初级纤维 1958年以后 玻璃纤维工业得到迅速发展 现在全国有大 小玻璃纤维厂家200多个 玻璃纤维年产量为5万吨 其中无碱纤维占20 中碱纤维占80 纤维直径多数为6 8 m 正向粗纤维方向发展 池窑拉丝工艺正在推广 重视纤维 树脂界面的研究 新型偶联剂不断出现 许多玻璃纤维厂使用前处理工艺 玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展 国内进展 10 各种氧化物对处于玻璃态的玻璃行为及最终制品的玻璃的性能的影响分析如下 SiO2是几乎所有玻璃中的一个主要成分 它熔点高 具有很高的粘度 在熔融状态下气泡脱除速度很慢 对于最终玻璃 它的存在导致玻璃具有低的热膨胀系数 Na2O Li2O K2O等碱金属氧化物使玻璃具有低的粘度 改进玻璃流动性 它们使成品玻璃具有高的膨胀系数及易受潮气 水分 的侵蚀 CaO MgO使玻璃液具有中等粘度 易于析晶 在玻璃中它们能改进制品的耐化学性 耐水性及耐酸 碱性 以及耐温性 B2O3使玻璃熔体具有中等粘度 在玻璃熔制时起助熔剂作 使玻璃具有低的热膨胀性及稳定玻璃的电气性能 2 2 1玻璃纤维的组成及分类 11 ZnO使玻璃液粘度稍稍上升 它在玻璃中有助于耐化学性的增加 PbO大大降低了玻璃液粘度起着助熔剂的作用 在成品玻璃中增加破璃密度以及光亮程度 导致高的热膨胀 用在生产高品质玻璃 也可用在耐辐照玻璃纤维成分中 BeO导致中等玻璃粘度 有助于增加玻玻璃产品的耐化学性及提高密度 TiO2导致玻璃液粘度稍高 改善玻璃耐化学性 特别是耐碱性 ZrO2显著增加玻璃液粘度及析晶倾向 它大大提高了玻璃的耐碱性 A12O3增加熔体粘度 使最终玻璃有高的机械性质及改进耐化学性 Fe2O3作为着色剂使用 一般在玻璃中是作为杂质处理 在玻璃液中吸收红外光 阻碍玻璃液中的传热 它的存在使玻璃着上绿色 12 13 表2 2常用玻璃纤维的化学成分 玻璃纤维品种 玻璃纤维的化学成分 质量分数 SiO2K2ONa2OAl2O3MgOCaOZnOB2O3ZrOBaOCaF2 无碱1 无碱2 电工无碱E普通有碱A普通中碱中碱5 抗碱G20耐酸C高强S高模M 54 154 453 572 064 567 571 065 064 353 7 0 314 2 0 52 498 00 3BeO8 0 0 515 04 516 59 02 013 84 016 29 016 34 417 38 0SO30 62 510 00 712 54 03 58 54 03 01 511 56 64 29 51 016 04 03 014 06 025 010 3TiO2Li2OCeOFe2O37 93 09 012 73 00 52 0 14 总之 玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤维物理和化学性能的要求 具有良好的化学稳定性 另一方面要满足制造工艺的要求 如合适的成型温度 硬化速度及粘度范围 15 2 玻璃纤维的分类 玻璃纤维的分类方法很多 一般可从玻璃原料成分 单丝直径 纤维外观及纤维特性等方面进行分类 1 按化学组成分这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类 一般以不同的含碱量来区分 有碱玻璃纤维 碱金属氧化物含量大于12 中碱玻璃纤维 碱金属氧化物含量6 12 低碱玻璃纤维 碱金属氧化物含量2 6 微碱玻璃纤维 无碱玻璃纤维 碱金属氧化物含量低于2 16 是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维 这种纤维强度较高 耐热性和电性能优良 能抗大气侵蚀 化学稳定性也好 但不耐酸 无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好 因此也把它称做电气玻璃 现在 国内外大多数都使用这种 破璃纤维作为复合材料的原材料 1 无碱玻璃纤维 通称E玻纤 17 它是指碱金属氧化物含量在6 12 之间的玻璃纤维 它的主要特点是耐酸性好 但强度不如E玻璃纤维高 它主要用于耐腐蚀领域中 价格较便宜 2 中碱玻璃纤维 通称E玻纤 18 有碱玻璃称A玻璃 类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃 此种玻璃由于含碱量高 强度低 对潮气侵蚀极为敏感 因而很少作为增强材料 3 有碱玻璃纤维 A玻纤 19 国际上已经商品化的纤维用玻璃成分如下 E 玻璃亦称无碱玻璃 系一种硼硅酸盐玻璃 优点 有良好的电气绝缘性及机械性能 用途 广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维 也大量用于生产玻璃钢用的玻璃纤维 缺点 易被无机酸侵蚀 故不适于用在酸性环境 2 按纤维使用特性分 20 C 玻璃亦称中碱玻璃 优点 耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃 缺点 电气性能差 机械强度低于无碱玻璃纤维10 20 国外的中碱玻璃纤维含一定数量的B2O3 我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼 国外用途 中碱玻璃只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品 如用于生产玻璃纤维表面毡等 也用于增强沥青屋面材料 我国用途 中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半 60 广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物 包扎织物等的生产 因其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力 21 高强玻璃纤维美国欧文斯 科宁公司生产的牌号为S和S 2玻璃纤维 法国圣戈班公司生产的R 玻璃纤维 日本日东纺生产的T玻璃纤维及我国生产的HS玻璃纤维均属于高强玻璃纤维 特点 高强度 高模量 用它们生产的玻璃钢制品多用于军工 空间 防弹盔甲及运动器械 由于价格昂贵 目前在民用方面还不能得到推广 全世界产量也就几千吨左右 22 AR玻璃纤维亦称耐碱玻璃纤维 主要是为了增强水泥而研制的 普通的波特兰水泥呈碱性 一般玻璃纤维在这种水泥中很快就被腐蚀而丧失强度 而耐碱纤维因含有16 的ZrO2 故耐碱性大为增加 目前这种耐碱纤维已在增强水泥制品中应用 我国已有生产 法国圣戈班公司也在北京建立一座专门生产耐碱玻璃纤维的工厂 23 A玻璃亦称高碱玻璃 是一种典型的钠硅酸盐玻璃 它的Na2O含量高达14 因而耐水性很差 很少用于玻璃纤维生产 在国外主要用在生产玻璃棉 屋面沥青增强材科中 也可将A玻璃用于大辊筒拉丝工艺中 生产各种玻璃钢用的表面毡或连续原丝毡 主要是利用其耐酸性较好 可以置于玻璃钢表面层 提高制品耐化学性 在我国A玻璃也即平板玻璃 多为乡镇企业用在陶土坩埚艺中生产玻璃钢增强材料 这种陶土坩埚拉制的高碱玻璃纤维由于性能很差 国家不允许将其应用在玻璃钢生产中 24 E CR玻璃是一种改进的无硼无碱玻璃 用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维 其耐水性比无碱玻纤改善7 8倍 耐酸性比中碱玻纤也优越不少 这是美国欧文斯 科宁公司的专利 是专为地下管道 贮罐等开发的新品种 D玻璃亦称低介电玻璃 用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维 25 上述玻璃纤维目前实际的产量及价格差异甚大 下表简要地说明了这一情况 并可知无碱玻璃纤维是世界玻璃纤维的主流 注 不包括中国生产 E 电绝缘 无碱 玻璃 C 耐化学侵蚀 中碱 玻璃 A 高碱含量玻璃 D 介电性能优良的 低介电 玻璃 S 高机械强度 高强 玻璃 AR 耐碱玻璃ECR 耐化学腐蚀无硼无碱玻璃 26 1 按纤维的长短可分为定长纤维和连续纤维 定长纤维长度 6 50mm 制成玻璃棉或玻璃毡 可用作保温隔热材料 也可用作压塑料的增强材料 连续长纤维用作复合材料的增强材料 3 按产品特点分 27 2 按直径的大小分类 玻璃纤维单丝呈圆柱形 以其直径的不同可以分成几种 粗纤维 30 m 初级纤维 20 m 中级纤维 10 m 20 m 高级纤维 3 m 10 m亦称纺织纤维 对于单丝直径小于4 m的玻璃纤维称为超细纤维 单丝直径的不同 不仅纤维的性能有差异 而且影响到纤维的生产工艺 产量和成本 一般5 m 10 m纤维作为纺织制品用 10 m 14 m的纤维一般做无捻粗纱 无纺布 短切纤维毡等较为适宜 28 3 按纤维外观分类连续纤维 其中有无捻粗纱及有捻粗纱 用于纺织 短切纤维 空心玻璃纤维 玻璃粉及磨细纤维等 29 2 2 3玻璃纤维的结构 玻璃纤维是纤维状的玻璃 玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体 它是由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体 属于各向同性的均质材料 玻璃没有固定的熔点 随着温度的升高 逐渐由固体变为液体 其软化温度范围比较大 30 网络结构假说 玻璃是由二氧化硅的四面体 铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络 网络间的空隙由Na K Ca Mg等阳离子所填充 二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础 图 填充的Na Ca等阳离子称为网络改性物 玻璃纤维结构示意图 31 纤维玻璃的各种成分主要是由天然矿石原科引入的 也有少量成分来自化工原料 前者指能形成玻璃网络结构 并能改进网络结构的一些原料 辅助原料又称小料 指用量较少 主要用于促进玻璃熔制并赋予玻璃某些性质的一些原料 1 主要原科 引入二氧化硅 SiO2 的原料纤维玻璃中的SiO2主要由硅砂引入 硅砂可分为天然和人造两种 要求SiO2含量为98 05 以上 Al2O3 0 85 Na2O 0 1 Fe2O3 0 1 2 2 2玻璃纤维及其制品的制备 32 引入氧化铝 Al2O3 的原料引入氧化铝的适宜原料是含碱量低的瓷土 其典型成分为 引人氧化钠 Na2O 的原料在中碱玻璃纤维生产中需引入Na2O 通常用的原料是纯碱 纯碱分为粒化碱 重碱 粉状碱等 玻璃生产中经常使用的是比硅砂粒度稍小的粒化碱 粉状碱易造成粉尘 故不宜使用 33 引入氧化硼 B2O3 的原料无碱玻纤生产通常使用土耳其生产的天然硼钙石 含B2O343 44 以引入B2O3 它价格较低 与硼酸或氧化硼等化工原料比 其在玻璃熔制时挥发损失小 缺点是成分不稳定 为此 天然硼钙石矿须经粉碎均化后方能使用 近年来我国已广泛使用西藏出产的天然硼镁石代替硼钙石或硼酸生产无碱玻璃纤维 西藏硼镁石中B2O3含量约为32 MgO含量约为16 将这种硼镁石引入到纤维玻璃中 在引入B2O3的同时引人MgO 而且其引人比例恰好符合含镁无碱玻璃配方的要求 实践表明 这种含镁无碱配方对耐火材料无明显加剧侵蚀的现象 对生产的无碱玻璃纤维的电气性能和机械性能也无影响 因此硼镁矿在我国无碱玻璃纤维生产中的应用有着光明前景 34 2 辅助原料 助熔剂 萤石 CaF2 含量97 澄清剂 芒硝 硫酸钠 含量95 以上 引人氧化镁 MgO 的原料通常用白云石来引人MgO 引人氧化钙 CaO 的原料普遍采用石灰石引入CaO 其中CaO的最低含量为54 其余成分为 粒度一般要求小于150微米 35 1 玻璃纤维的制备 目前生产玻璃纤维应用最广泛的方法有坩埚法拉丝和池窑漏板法拉丝两种 生产工艺由制球和拉丝两部分组成 整个拉丝过程中加球和拉丝温度控制是由自动控制装置来完成的 36 加料斗 铂金坩埚 漏丝板 单丝 浸润剂槽 集束轮 排线器 拉丝卷筒 图2 1坩埚拉丝法制备玻璃纤维示意图 37 坩埚材料及结构 坩埚材料的分类一类为耐高温 耐玻璃液侵蚀 高温强度高的铂铑合金 另一类为人工合成或天然的耐火材料 坩埚结构的形式 铂铑合金坩埚 38 代铂坩埚可分电熔式和电阻式两种 电阻式 电熔式 39 组合炉将若干台代铂坩埚合并成一个大容量的玻璃球熔化妒 玻璃球熔化后 经通路流入若干块多排多孔漏板 其结构形式如图所示 40 坩埚法和池窑法的纤维成型装置均由铂铑合金漏板 丝根冷却器 喷雾器 单丝涂油器 集束器 分束器和拉丝机组成 1 铂铑合金漏板 41 2 丝根冷却器 42 单丝涂油器 43 4 喷雾器 集束器 分束器 44 拉丝工艺布置是将纤维成型装置合理地布置在拉丝生产线上 工艺布置的合理 将直接影响拉丝作业稳定性 45 池窑法是将玻璃配合料直接投入窑内熔融 澄清 均化后 经漏板之漏孔流出 根据制品性能要求 单丝被涂敷不同类型的浸润剂 单丝集束或分槽集束后 被拉丝机卷绕成丝饼 由于玻璃液不存在二次加热和二次污染 因而池窑法与坩埚相比 池窑法生产工艺具有拉丝作业稳定性好 断头飞丝少 同种规格产品的单位能耗低等优点 迄今已成为全世界最主要的玻璃纤维生产技术 46 池窑拉丝单元窑 47 48 池窑拉丝与坩埚拉丝相比较 具有如下优点 1 省去制球工艺 简化工艺流程 效率高 2 池窑拉丝一窑可安装10块到上百块漏板 3 易实现自动化 4 适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维 5 生产的废纱便于回炉 49 玻璃纤维浸润剂 在拉丝工艺中 当玻璃液从漏板拉出单丝以后 要经过浸润槽 把浸润剂涂敷在玻璃纤维表面上 浸润剂可分为纺织型浸润剂和增强型浸润剂 浸润剂的作用玻璃纤维一个突出的弱点是较脆而且不耐磨 纤维之间的摩擦系数大 在拉丝和纺织过程中 纤维就难免出现断裂现象 而且刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸气的侵蚀 使其强度下降 因此 纤维刚拉出之后 立即被覆一层保护簿膜 浸润剂 具有很大意义 浸润剂的作用是 使单丝集束 便于后续的并股 纺织等工序 防止原纱缠绕成卷时 纤维相互粘结 保护纤维 防止纺织时 纤维的表面磨损而降低强度 50 浸润剂的种类 纺织型浸润剂具有良好的集束性 润滑性 成膜性和抗静电性 主要用于生产玻璃纤维纺织加工制品 如玻璃纱 线和织物等 中国使用的纺织型浸润刑主要是石蜡型浸润剂 国际上广泛使用的是淀粉 油浸润剂 51 主要组分及其作用 石蜡 主要成分是含碳原子致16个以上的饱和烃类 用于浸润剂的石蜡一股选择熔点为55 60 凡士林 主要成分是碳原子数为8 20的混合烃类 一般选用滴点在45 以上 机油 变压器油等矿物油 主要成分为9 16个碳的混合烃类 硬脂酸 即十八烷酸 与石蜡等组分一起使用 有助乳化的作用 固色剂或固色粉 这是一种水溶性线型初聚体树脂 其化学成分为双氰胺甲醛 对纤维的粘结性 集束性有较好作用 平平加 是合成的一种非离子型表面活性剂的商品名称 其主要成分为聚氧乙烯脂肪酸醇 在配方中主要起乳化和润湿作用 石蜡型 52 主要组分及其作用 淀粉 其成分可视为 葡萄糖缩聚体 分子结构主要有直链型和支链型两种 性能有较大差别 在浸润剂配方中主要作为粘结 成膜组分使用 动 植物油 一般选用氢化动 植物油 如氢化棉子油 氢化牛油等 在配方中主要起润滑和软化淀粉干性膜的作用 阳离子型胺类化合物 常用的有壬酸酰胺 硬脂酸四乙烯五胺等 在配方中主要起浸润 润滑和增加强透性作用 辅助剂 为增加附着力 往往加入明胶 水溶性环氧树脂等 此外还可加入少量杀菌剂 防止淀粉组分腐败 变质 2 淀粉型 53 由粘合剂 润滑剂 乳化剂等组份 配成拉丝用的浸润剂 在拉丝过程中直接被覆于玻璃纤维表面 这种浸润剂称为增强型浸润剂 增强型浸润剂在一定程度上能满足拉丝工艺要求 而且对纤维与树脂粘结影响不大 因此 在玻璃钢成型时不必除去 可直接使用 目的国外广泛使用 国内也有越来超多的厂家采用增强型浸润剂 增强型浸润剂种类很多 在选用玻璃纤维及其织物时 必须根据树脂类型考虑采用何种浸润剂 目前国内常用的增强型浸润剂有414型浸润剂 与酚醛 环氧的粘合力强 和7001型浸润剂 与聚酯树脂的粘合力强 54 玻璃钢的性能不仅与所用的增强材料 合成树脂有关 面且在很大程度上还与增强材料和合成树脂的界面结合好坏有关 表面处理就是在玻璃纤维表面被覆一种叫做表面处理剂的特殊物质 使玻璃纤维与合成树脂牢固地粘结在一起 以达到提高玻璃钢性能的目的 表面处理剂处于玻璃纤维与合成树脂之间而使这两种性质不同的材料牢固地连接在一起 所以表面处理剂也叫做 偶联剂 架桥剂 这种中间连接作用被称做 偶联作用 或 架桥作用 采用各种表面处理剂对玻璃纤维及织物进行表面处理 从而提高玻璃纤维与合成树脂间的粘结性能 已成为提高玻璃钢基本性能的重要途径之一 近年来 玻璃纤维的表面处理在玻璃钢的工业生产和研究领域中越来越重要 国内外都在不断研究新型表面处理剂并大力推广 55 事实证明 玻璃纤维及织物经过适当的表面处理后 不仅改进了玻璃纤维的耐磨 防水 电磁绝缘等性能 而且对玻璃钢的强度 特别是湿态下的强度提高有显著的效果 无论是自然老化还是人土加速老化试验 玻璃纤维未经处理剂处理而制作的玻璃钢 因老化面强度下降严重 经处理的强度下降缓慢 且有更高的强度保留值 处理剂对提高玻璃钢的耐候性是十分明显的 56 2 2 4玻璃纤维的性质 1 力学性质 1 玻璃纤维的拉伸应力 应变关系 呈脆性材料特征 57 2 玻璃纤维的拉伸强度较高 但模量较低 玻璃纤维的拉伸强度较高 但模量较低玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高 一般玻璃制品的拉伸强度只有40 100MPa 而直径10 m以下的玻璃纤维拉伸强度可达1000MPa以上 而直径5um以下的玻璃纤维拉伸强度可达2400MPa 以上较一般合成纤维高约10倍 比合金钢还高2倍 58 由于表面微裂纹尺寸和数量较小 从而减少了应力集中 使纤维具有较高的强度 玻璃纤维高强的原因 59 影响玻璃纤维强度的因素A 一般情况 玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加 如下表所示 纤维直径 m 拉伸强度 MPa 纤维直径 m 拉伸强度 MPa 16017519 1942106 729715 2130070 63569 7167050 85606 6230033 57004 2350024 18213 33450 60 B 拉伸强度也与纤维的长度有关 随着长度增加拉伸强度显著下降 如下表所示 纤维长度 mm 纤维直径 平均拉伸强度 MPa 513 015002015 212009012 7860156013 0720 61 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 可用 微裂纹理论 给予解释 随着纤维直径的减小和长度的缩短 纤维中微裂纹的数量和大小就会相应地减小 这样强度就会相应地增加 以上两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应或体积效应 即体积或尺寸越大 测试的强度越低 因此 对玻璃纤维单丝 纱 布进行强度测试时 要规定试样尺寸 62 玻璃纤维强度分散性大 玻璃产品的强度或拉断力数据一般都是大量测试的统计平均值 拉伸强度受湿度和温度的影响 玻璃纤维的拉伸模量较低 约为70GP 与纯铝的模量相近 只有普通钢材的1 3 这是玻璃纤维的主要缺点之一 63 2 热性能 玻璃纤维是无定形无机高聚物 其力学性能与温度的关系类似无定形有机高聚物 存在Tg Tf两个转变 由于Tg较高 约600 且不燃烧 所以相对于聚合物基体来讲 耐热性好 如果将玻璃纤维加热至250 以上后再冷却 通常称为热处理 则强度明显下降 温度越高 强度下降越显著 例如 300 下经24小时 强度下降20 400 下经24小时 强度下降50 500 下经24小时 强度下降70 600 下经24小时 强度下降80 64 玻璃纤维热处理后强度下降 可能是热处理使微裂纹增加所引起的 由于玻璃纤维的熔融温度较高 约为1200 故它具有瞬时耐高温特性 65 玻璃纤维的导热性导热系数是指在稳定传热条件下 1m厚的材料 两侧表面的温差为1度 C 在1小时内 通过1平方米面积传递的热量 玻璃纤维在20 200 范围内为0 86kal m h 而铝合金的为108 144kal m h 导热系数越小 隔热性能越好 玻璃纤维有良好的绝热性能 玻璃纤维的热膨胀系数较低 66 3 耐介质性能玻璃纤维除对氢氟酸 浓碱 浓磷酸外 对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性 化学稳定性在很大程度上决定了不同纤维的使用范围 玻璃纤维的性能一般认为与水 湿度有关 玻璃纤维在相对湿度80 以上的环境中存放 强度有所下降 玻璃纤维在100 相对湿度下 强度保持率在50 左右 67 玻璃纤维在水中浸泡后 强度会降低 经过干燥以后 会恢复部分强度 但另一部分损失的强度是不可恢复的 前者是水对玻璃纤维的物理作用引起的强度损失 具有可逆性 后者是水与玻璃纤维发生化学反应引起了不可逆的强度损失 水与玻璃纤维发生化学反应 Si O Na H2O Si OH Na OH Si O Si OH Si O Si OH Si O H2O Si OH OH 所以 含碱量越大 玻璃纤维受水的侵蚀的速率越快 另外 纤维中有微裂缝 使裂缝尖端在应力及水的协同作用下 加速了裂缝的扩展 使玻璃纤维的持久强度下降 与块状玻璃相比 玻璃纤维的耐腐蚀性差 是由于玻璃纤维的表面积大 68 4 电绝缘性 1 电绝缘性好 玻璃纤维的电性能与其组分尤其是含碱量有关 因碱金属离子在玻璃结构中 结合得不牢固 有很大的迁移性 它是良好的载流体 所以玻璃的导电性主要取决于碱金属离子的导电性 玻璃的含碱量越高 电阻率越低 2 良好的高频介电性能 玻璃纤维的介电常数较小 介质损耗很低 具有良好的高频介电性能 所以玻璃钢可用作雷达罩 微波天线的天线罩 69 1 常用的术语 参数 1 原纱 原纱是指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱 2 捻度 捻度表示纱的加捻程度 指每米长原纱的加捻数 即捻 m 加捻方向s表示右捻 纱条中纤维的倾斜方向与字母S中部相一致 为右手方向或顺时针方向之捻回纱 Z表示左捻 纱条中纤维的倾斜方向与字母Z中部相一致 为左手方向或逆时针方向之捻回纱 3 股数N 是指由几根原纱合股组成 纱的合股数指以一根原纱为一股 几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N 2 2 5玻璃纤维制品的品种与规格 70 71 4 表示 原 纱粗细的指标 1 定质量法 支数 是用质量为1g的原纱的长度来表示 即 例如 40支纱 就是指质量为1g的原纱长40m 72 2 定长法 特 旦 袋 是目前国际上统一使用的方法 通称 TEX 公制号数 特是指1000m长的原纱的克质量 例如 4 TEX 就是指1000m原纱质量为4g 旦 袋 DEN 指9000m长的原纱的克质量 73 玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数 74 玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种 无捻纱一般用增强型浸润剂 由原纱直接并股 络纱制成 有捻纱则多用纺织型浸润剂 原纱经过退绕 加捻 并股 络纱而制成 由于生产玻璃纤维纱的纤维直径 支数及股数不同 使无捻纱和有捻纱的规格有许多种 75 市购的或用于织布的玻璃纱一般是指原纱退绕后加捻或不加捻的合股纱 通过加捻可提高纤维的抱合力 改善单纤维的受力状况 有利于纺织工序的进行 捻度过大不易被树脂浸透 无捻粗纱中的纤维是平行排列的 拉伸强度很高 易被树脂浸透 故无捻粗纱多用于缠绕高压容器及管道等 同时也用于拉挤成型 喷射成型等工艺中 2 纱的品种与规格 1 品种 76 纱的规格即纱的技术指标 主要有单丝直径 原纱支数 纱的公称支数 断裂强度及捻度等 单丝直径df为4 m 6 m 8 m 原纱支数 0为40 80 160 股数N为有捻纱2 8股 无捻纱5 60股 合股纱支数 0 N 捻度 纱的拉断力Pb kg或g 纤维类型为有碱 无碱 高强 浸润剂类型 规格 77 牌号单丝直径 m合股数公称支数断裂强力 g捻度 捻 m 无碱纱4 600 242300 30150120 15无碱纱4 360 242180 20250150 15无碱纱5 250 252125 10400120 15无碱纱6 160 26280 8500120 15无碱纱6 80 26240 41000110 15无碱纱6 80 46420 22000110 15无碱纱6 80 86810 13500110 15无碱纱8 40 28220 21600110 15 表2 5几种国产有捻玻璃纱的规格 78 牌号单丝直径 m合股数公称支数断裂强力 kg 无碱无捻8 40 5858 0 0 83无碱无捻8 40 108104 0 0 46无碱无捻8 80 146145 7 0 68无碱无捻8 40 206202 0 0 212无碱无捻8 40 408401 0 0 122无碱无捻8 40 608600 67 0 0730 表2 6几种国产无捻玻璃纤维纱的规格 79 牌号为无碱纱4 600 2表示 单丝直径df为4 m 原纱支数 0为600 股数N为2的无碱玻璃纱 牌号表示法 80 玻璃纤维制品的制造 生产玻璃纤维制品的主要设备是纺纱机和织布机 连续纤维原纱 连续纤维毡 退 并 捻 退 并 有捻纱 无捻纱 并 捻 绳 织造 布 带 绕 卷 无捻粗纱 织造 粗纱布 切断 短切纤维 黏结 短切纤维毡 表面毡 图2 2玻璃纤维制品生产工艺流程图 81 1 布的品种与规格 1 玻璃布的品种 大多数玻璃钢制品都是用玻璃布制成 布是由经 纬纱编织而成 按编织方法不同 可分平纹 斜纹及缎纹布 2玻璃布 平纹布 经纱和纬纱相互间都是从一很纱下面穿过的 压在另一根纱的上面 交替编织而成 这种布的纤维弯曲较大 故纤维强度损失较大 制造玻璃钢时 变形能力较差 只适用于成型形状较简单的零件 82 斜纹布 每根经纱都是从两根纬纱下面通过 然后再压在另外两很纬纱上面 布面呈现斜纹 这种布纤维强度损失较少 布较柔软 制备玻璃钠时有良好的铺覆性 适于手糊成型 83 缎纹布 经纱或纬纱相互间从一根纱下面通过 压在另外多根 3 5 7 纱上面 布面几乎只见经纱或纬纱 这种布纤维弯曲最小 因而纤维强度损失也最小 用它制备玻璃钢制品时 铺覆性好 适于成型形状复杂的制件 84 单向布指经纬向拉断力相差悬殊的玻璃布 经纱是密纱或强纱 纬纱是稀纱或弱纱 无捻布指采用无捻纱编织的玻璃布 比较常用的是平纹编织无捻粗纱布 因布面呈现明显的方格 也叫大捻方格布 其特点是柔性好 铺覆性好 易浸透树脂 制得玻璃钢制品强度高 在手糊成型中大量使用 85 主要规格 86 牌号表示法 牌号平纹 100表示0 1mm厚的平纹布 牌号Ew100A 90表示无碱 E 布 w 0 1mm厚 A 类别 幅宽90cm 布强度低于纱强度的原因布的断裂强度实际上也表示了布中纤维的拉伸强度 由于布中的玻璃纤维经过纺织以及在布中呈现弯曲及扭曲状态 故其拉伸强度远低于玻璃纱的强度 87 4 布的使用特点 1 编织情况 表2 8列出了布的编织方法即平纹 斜纹及缎纹布的使用特点的不同 铺覆性或变形性指铺到曲面上是否贴合 即玻璃布的可变形能力 它制约构件的形状复杂程度 平纹布密实 柔性差 所以铺覆性差 缎纹布最不密实 柔性大 铺覆性好 所以 平纹布只适于制作单曲面或曲率半径大的玻璃钢制品 而缎纹布能制造型面复杂的玻璃钢制品 项目平纹斜纹锻纹 编织次数多介中少纤维弯曲大介中小拉伸强度小介中大冲击强度高介中低铺覆性 变形性密实 柔性差介中好 88 2 布厚度 布越薄 纤维弯曲越小 纤维拉伸强度越高 布越薄 易浸透胶 但糊制层数多 3 排纱密度 排纱密度反映纱的稀疏程度 排纱密度越大 越不易浸透胶 89 1 立体编织物根据制品的现状 性能要求而编织的立体织物 如雷达罩用的编织套 具有特殊要求的三维增强织物 其他玻纤制品 90 击球时球在球拍上的停留时间只有千分之四到六秒 在击球前的挥拍过