高强玻璃纤维的现状及发展趋势.doc

精品文档高强玻璃纤维的现状及发展趋势 1 引言 1938年，美国欧文斯-科宁（OC）公司发明了无碱玻璃纤维开创了玻璃纤维增强复合材料时代，1960年，又应美国空军的需求开发的一种比E玻纤强度和模量更高一种玻璃纤维，名为S玻纤。S-2是它的商业化生产的注册品牌，现由AGY公司生产。法国的圣戈班(SAINT-GOBINE) 集团的维托特克斯(VETROTEX)公司，日本的日东纺织株式会社，也分别宣布开发出了商标为高强玻纤和高强玻纤，前苏联的波洛茨克公司（现白俄罗斯POLOTSK-STEKLOVOLOKNO）生产BM (为上标)型高强玻纤，此外还有日本的板旭子公司生产U、K高强玻纤用于玻纤帘子线的生产。 中材科技股份有限公司南京玻纤院自上世纪70年代以来独立自主开发并规模化工业生产我国的HS系列高强玻纤，产品性能接近或达到国外先进水平。 将上述各公司生产的S、R、T、BM(为上标)、 HS玻纤统称为高强玻纤。2 高强玻纤的化学成份 高强玻璃系统主要为SiO2-Al203-Mg0或SiO2-Al2O3-CaO-MgO体系（数字为下标），各种高强玻璃成份不尽相同，但其中Al2O3的含量均在25左右。高强玻纤的化学成分见表1。 3 高强玻纤的性能 高强玻纤与常用E玻纤相比具有下列主要六大特点：拉伸强度高、弹性模量高刚性好；断裂伸长量大抗冲击性能好，化学稳定性好，耐高温，抗疲劳特性及雷达透波性能好。3.1 高强玻纤的拉伸强度及模量 高强玻纤的拉伸强度，弹性模量分别比E玻纤提高了30%40%和16%20%以上。用高强玻纤制成的复合材料其强度及模量比玻纤制成的复合材料分别高5O%以上，见图1和图2。 3.2 耐冲击性能 断裂伸长率表示纤维抗冲击变形的能力，材料耐冲击的重要指标，高强玻纤的断裂伸长量大于5，见图3和图4。和芳纶纤维、碳纤维相比，其在一定应力下形变能力最大，能充分吸收冲击能量，该特性决定高强纤维可以作为一种比较理想的防弹材料。 3.3 耐疲劳特性 高强玻纤的耐疲劳性能比玻纤高出10倍以上，该特性决定用高强玻纤制成的复合材料具有更长的工作寿命。3.4 化学稳定特性 高强玻纤的化学性能是指在去除了粘结剂和浸润剂的条件下，用纤维在水溶液、酸溶液的重量损失百分比来表示，其数值越低，玻璃的耐腐蚀性能越强。表2是单丝直径为10m各种纤维，96下在各自溶液中的测试数值。从表中可以看出高强纤维的化学稳定性比玻纤好。 3.5 耐高温性能 高强玻纤在比E玻纤更高的温度下熔制而成，具有较高的软化点，通常高强玻纤要比E玻纤更耐100一150。3.6介电性能 S-2玻纤的介电常数比E玻纤低约20，它是一个较理想的透波材料。4 高强玻纤的制造拉丝工艺 高强玻纤生产工艺分为一步直接熔化法拉丝，以及球法拉丝两种方法，AGY等公司采用一步直接熔化步法生产，而POLOTSK公司及我国采用二次熔化法生产高强玻纤。5 高强玻纤制品 高强纤维制品分为直接制品和复合制品两类，直接制品分为高强玻纤纱线，合股无捻粗纱，直接无捻粗纱，高强玻纤布，单向布，方格布等等。复合制品有GLARE纤维增强金属层板，HJl高强防弹板等等。5.1 纺织纱 高强玻纤有捻纱以9m的68TEX的单捻纱为主，也有少量的9m的33TEX的单捻纱和合股纱，通常采用淀粉型浸润剂，纺织纱主要用于供应玻纤织布厂家。5.2 无捻粗纱 通常由直径9m及以上原丝来络成，其浸润剂分别适用环氧、乙烯基等树脂。产品分为有纸管的外退方式和无纸管的内退方式。5.3 直接无捻粗纱 2000年以后，AGY公司又推出ZenTron及VeTron的两种牌号的直接无捻粗纱，分别可用于环氧树脂和乙烯基树脂。直接无捻粗纱悬垂性低，纤维的树脂浸透速度比合股纱快5O%，工艺性能好。 OC公司也于2006年推出以Hiper-tex为品名的玻璃纤维直接粗纱，其抗拉强度和模量比高强纤维要低，该产品以Windstrand为注册商标，主要面向风力发电及其他行业。5.4 高强玻纤布 国外高强玻纤厂家通常自身不织布，而是将纺织纱供应给专业的织布厂商来织造高强布，高强玻纤布主要规格见表3。 除上述规格的高强玻纤布外，BGF和HEXCEL公司还制造一些规格的高强单向布和方格布，3TEX公司生产高强纤维3D织物如图5示。 5.5 GLARE层板 GLARE层板由多层薄铝合金和单向或两轴向玻纤层叠用胶粘剂胶结而成，由荷兰代夫特技术大学研究开发，现主要的飞机生产厂家如空中客车，波音，和佛克尔（FOKKER）公司均己认可其质量，密度比铝小10%,抗疲劳、防火和防破坏等性能都有明显提高，该材料首次被用于民用飞机A380。图6是各种规格的GLARE层板。5.6 HJ1防护装甲 1986年起，OC公司开展S-2高强玻纤防弹复合材料的研究工作，彩高强无捻粗纱生产质量为813g/m2的方格布，再将这种的方格布浸橡胶改性酚醛树脂后在一个平板上将预浸料按一定的方向叠放多层，用加热加压的压机在171压制25min成形。图7为各种厚度的防弹板。 6 高强度玻纤主要应用领域 高强玻纤具有高拉伸强度、高弹性模量，耐冲击、耐温性、耐疲劳特性好。和其他高性能材料如碳纤维、芳伦纤维相比。具有良好的价格性能比。6.1 航空、航天 目前高强玻纤在世界航空领域中占20%30%市场，主要用于飞机内装材料，地板，舱门，机翼前缘，雷达罩，副油箱，直升飞机机翼等 等。其在飞机上的应用示例见图8、图9和图10。 6.2 国防军事、警用器材 高强玻纤具有断裂伸长量大搞冲击性能好的特点。作为一种理想的防弹材料在国防军工、反恐斗争中得到了广泛的应用。HJ1高强玻纤防弹板广泛用于美国陆军HMMWV军车；并开始被美国海军用于装甲两栖攻击舰的舱面船室；用高强玻纤制造的货物集装箱，在内装货物爆炸的情况下，飞机不会受到致使的破坏，确保了飞行安全，满足了反恐需要；现在高强玻纤制造的联弹板已开始用于重要建筑物的正面防护，以及贵重收银台柜台的防护；用高强玻纤制成的防弹材料还可以用于个人防护。 高强玻纤的应用示例见图11、图12、图13。 6.3 一般民用工业6.3.1 汽车工业 利用高强玻纤的耐高温性能，用作汽车消音器的填料来减少噪声（见图14）；高强玻纤制造橡胶复合同步带，这种同步带用在汽车发动机内比金属链更耐高温、耐腐蚀（见图15）。 6.3.2压力容器增强 高强玻纤可以直接用于缠绕各种高压气瓶（医疗、煤矿、消防、登山体育用）来进行增强，或者和碳纤维一起使用，增强气瓶的抗冲击力和耐磨擦性能（见图16）。 6.3.3电池工业 将铅涂布在高强玻纤的表面制成涂布铅网(见图17)代替纯铅材料用于蓄电池中，这样可以大大减少蓄电池的重量；另外日本NGK公司将用高强纤维应用于高效的蓄电系统(见图18)。 6.3.4风力发电 据国外研究，单台风力机组的发电量和风力叶片长度的平方成正比，这就要求风力叶片长度能尽量的长，以提高发电效率降低发电成本，高强纤维的强度及模量比E玻纤高，因此在2MW以上的风力叶片领域将会得到应用(见图19)。 6.4 体育、休闲 高强纤维用于制造快速游艇，帆船和独木舟以减轻了船体的重量（见图20）；用于制造棒球和垒球棒（见图21）可以保证绝对不会断裂而且比木质和铝合金棒使用寿命长；此外还可用于制造滑雪和冲浪设备，钓杆，曲棍球棍等等。利用高强纤维的强度与碳纤维相当的特性，可以将高强纤维和碳纤维混杂使用来降低体育器材的制造成本。 7 发展趋势 (1)开发系列拉伸强度及模量更高，耐温更好的高强玻纤制品，以满足不断增加的高性能复合材料性能的需要。 (2) 加强高强玻纤的无环境公害技术的研究，减少在生产过程中产生的废气、废水以及固体废物。降低产品的能耗。跟踪ROHS, WEEE等国际标准的要求，减少直至杜绝使用对人体及环境有害的原辅材料，保证高强玻纤