产业用纺织品

,新兴的学科,重点：无机纤维性能难点：分类、定义,七、无机纤维慨况1、前言无机纤维中除了碳纤维之外，还有玻璃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氧化硼纤维以及其它以须晶形式出现的无机化合物等。氧化铝纤维等与陶瓷和金属的相容性良好，可以作为金属基复合材料和陶瓷基复合材料的纤维增强材料，这些是目前的碳纤维与有机纤维所没有的优异特性。,2、无机纤维分类无机纤维一般按结构分类见表来源结构纤维名称天然的多晶单晶石棉合成的无定形玻璃玻璃纤维矿渣矿物纤维岩石陶瓷石英石英玻璃多晶硼多晶无机纤维碳化硅氮化硼碳化硼氧化铝氧化锆钢、铝、钨金属纤维碳、石墨碳纤维单晶金刚砂碳化硅单晶无机纤维和须晶六钛酸钾,3、几点说明(1）、无机纤维一般比其构成的致密材料要更加坚固，这是因为较大晶格缺陷在细小纤维的内部结构或表面出现的几率，比在致密材料本身出现的几率要小。(2)、无机纤维的应力应变曲线中有一部分完全是直线。与大多数的有机材料不同，无机纤维在应力作用下只有很小的变形，也就是说它在较低的断裂伸长和较低的接结强度下显示高的弹性模量值。(3)、无机纤维的用途是多样性的：如玻璃纤维用于塑料的增强；钢丝用作帘子布。(4)、除碳纤维外，其它的无机纤维都是不燃的。(5)、须晶纤维目前尚未完全过关。,八玻璃纤维,定义玻璃是由二氧化硅和各种金属氧化物组成的。玻璃是由熔体过冷而成的具有固体机械性质的无定形物质，它通常是透明的脆性体。最常见的是硅酸盐玻璃，其中又以钠钙玻璃最为普通。它主要由二氧化硅、氧化钙和氧化钠组成，以石英砂、长石、纯碱和石灰石为主要原料，经过熔融、澄清、匀化后，加工成型而得玻璃制品。,1、玻璃纤维的发展历史早在20世纪60年代，玻璃纤维就在飞机上获得了应用，但由于当时的价格昂贵，工艺性能欠佳等原因，未能获得进一步的发展和重视。后来，随着技术的改进和应用领域的扩大，玻璃纤维越来越多地用于军事目的，特别是航天、航空工业，约占航天、航空用的增强纤维的67.7%。随后，其应用范围日益扩大，如体育器具、建筑构件、轻工制品、化工管道、汽车工业、医疗器械、舟艇船舰等都已普遍采用和积极普及玻璃纤维极其复合材料。20世纪80年代以来，其年均增长率高达10%左右。,2、玻璃纤维的分类玻璃纤维的品种很多，可按其形态、化学成分、性能、生产方法、无机物成分及用途进行分类。,（1）、按品种分玻璃纤维按品种分类见图：玻璃矿物纤维,（2）、按纤维的形态和长度分玻璃纤维按按纤维的形态和长度分类，见表：类别名称用途与说明连续纤维连续纤维是指无限长的玻璃纤维。（纺织纤维）主要用漏板法拉制而成。经过纺织加工后可以制成玻璃丝、带、布、绳、无捻粗纱及其制品。定长纤维玻璃纤维长度有限，一般在300500mm左右，有时也可较长。多用来制成毛纱或毡片使用。玻璃棉也是一种定长纤维，湿纤维长度较短，一般在150mm或更短。在形态上组织蓬松，类似絮棉，故又称为短棉。主要用作保温、吸声等用途。玻璃棉直径1m或3m者，称为超细棉。,（3）、按纤维成分中的含碱量分玻璃纤维按纤维成分中的含碱量分类（R2O表示金属氧化物，主要指Na2O、K2O），见表：类别名称用途与说明无碱纤维R2O含量小于0.5%或0.7%。是一种铝硼硅酸盐成分。它的化学稳定性、电绝缘性、强度都很好。主要用作电绝缘材料；玻璃钢增强材料；轮胎帘子线；对耐酸有特殊要求的场合。低碱纤维R2O含量小于2%左右。是一种含碱量稍高的铝硼硅酸盐成分。它的化学稳定性、电绝缘性、强度都比无碱纤维略差。主要用作电绝缘材料；玻璃钢增强材料；轮胎帘子线；对耐酸有特殊要求的场合。中碱纤维R2O含量在12%左右。化学稳定性尚好。因含碱量较高，故不能作绝缘材料。一般用作乳胶布基材；酸性过滤布；窗纱基材等。也可用作对电性能和强度要求不甚严格的玻璃钢增强材料。高碱纤维R2O含量15%。凡采用锌玻璃平板或瓶子作原料拉制而成的玻璃纤维均属此类。不能用于对耐酸有特殊要求的场合。可用于蓄电池隔片；管道包扎布和毡片等防火防潮材料。,（4）、按纤维的直径分玻璃纤维按纤维的直径可分为：玻璃纤维有时也把直径4m的玻璃纤维称为超细纤维。,（5）、按含无机物成分不同分碱纤维（钠钙纤维）：含碱量在10%以上。耐酸性好，热膨胀系数低，但耐水性差。用于制作保温、隔热件及耐酸用的玻璃纤维增强材料。无碱纤维：含碱量在1%以下。电绝缘优良。用作电绝缘件，抗震零件等。钠钙硼硅玻璃纤维：有优异的耐化学性。广泛用作耐腐蚀材料。硼硅玻璃纤维：为低密度、低介电常数玻璃纤维。适用于作电绝缘件。铝镁硅玻璃纤维：为高强度玻璃纤维。适用于作高强度件，火箭发射机壳体，人造卫星外壳等。含氧化铍玻璃纤维：为高弹性模量玻璃纤维。高硅氧纤维：含SiO2在95%以上，耐热达1100。用作耐高温，防火材料。粗玻璃纤维：大多用作塑料、橡胶和水泥的增强材料。,3、玻璃纤维的组成（1）、纺织玻璃纤维的组成根据国际标准化组织(ISO)R2078定义，有如下组分的玻璃纤维：E玻璃：硅酸硼铝玻璃，含有0.8%以下的碱金属氧化物。用于一般塑料增强和电气方面的应用。A玻璃：加有硼或不加硼并含有0.8%以上碱金属氧化物的碱钙玻璃。作特殊用途。C玻璃：硼添加量高的碱钙玻璃。具有特殊的耐化学作用能力。D玻璃：高介电性能的特殊玻璃。R玻璃：高温下具有高机械性能的特殊玻璃。S玻璃：高温下具有高机械性能的特殊玻璃。M玻璃：高弹性模量的含铍玻璃。Z玻璃：水泥稳定性改进型玻璃。用于与水泥结合材料的增强。,（2）、玻璃纤维的成分玻璃纤维具有高的SiO2含量和最低的Al2O3含量，除有大致相同的碱金属氧化物和碱土金属氧化物外，还会有氧化硼作为助熔剂。许多绝缘纤维的组成可能都是由SiO2、Al2O3两组分并添加助熔剂所衍生出来的。绝缘玻璃纤维必须是含碱量低于0.5%的无碱玻璃纤维。通过对E玻璃分析，其化学成分为：SiO255.2%、Al2O314.8%、B2O37.3%、MgO3.3%、CaO18.7%、Na2O0.3%、K2O0.2%、Fe2O30.3%、F20.3%。S玻璃化学成分为SiO265%、Al2O325%、MgO10%。,二氧化硅,4、玻璃纤维的性能（1）、不燃、不腐、耐热、吸湿小；（2）、强度高、伸长小、抗拉强度和冲击强度高；（3）、绝热性和化学稳定性好；（4）、电绝缘性好。,常见的各种类型玻璃纤维内在性能见表：项目相对密度抗拉强度抗拉模量热膨胀系数介电常数液态温度MpaGpa10/KE玻璃纤维2.58345072.55.06.31065A玻璃纤维2.50304069.08.66.9996GCR玻璃纤维2.62362572.55.06.51204S玻璃纤维2.48459086.05.65.11454注：介电常数在20和1MHz条件下测得。,5、玻璃纤维的制造（1）、原料由于价格的关系，主要用天然矿物作为制造纺织玻璃纤维的原料。绝缘用玻璃纤维的生产原料，主要使用玻璃工业中常用的天然矿物和工业产品。因此在纯度上，特别是对铁杂质要求不高。自然界中存在的沉积岩石和磁性岩石（例如粘土、泥灰土、玄武岩或辉绿岩），可作生产岩石纤维的主要成分。除高炉矿渣外，其它冶金和非冶金的矿渣都被用作矿渣纤维的原料（如石灰石、白云石、石英、粘板岩、辉绿石）。陶瓷纤维其助熔剂含量低，只可使用相对纯的陶瓷原料（如钒土、石英、锆、高岭土和氰化物）。石英和硅石玻璃纤维几乎由纯二氧化硅所组成。石英纤维使用纯石英原料。硅石玻璃纤维是对硼化铝硅酸盐进行碱处理和热处理。,（2）、纺织玻璃纤维的制造纺织玻璃纤维的制造的工艺为：A、熔融。B、纤化。除了制成球和棒状外，一般直接进行纤化，可分成三种工艺。第一种工艺：拉丝法第二种工艺：离心法第三种工艺：吹喷法几种工艺可联合应用，如离心吹喷法等。,（3）、纺织纤维的后加工纺织玻璃纤维后加工必须分两大步骤，即：A、用浆料、润滑剂、胶粘剂处理。在纤维生产中，合并在一起的的玻璃长丝在卷绕前要上浆。短纤维在收集于孔眼转鼓前要喷润滑剂。B、进一步加工（略）（4）、绝缘纤维的后加工绝缘材料一般比较均匀，通常采用粘合法来加工绝缘纤维，制品为毡、板、管壳等。,6、玻璃纤维的应用,（1）、纺织玻璃纤维的应用塑料增强用的纺织玻璃纤维制品品种繁多，加以不同的制法、不同的纤维增强方式、不同的数量和几何形状以及塑料的选择及可变性能，使得玻璃纤维增强塑料成品具备最佳的使用价值。玻璃纤维用于装饰织物。具有这方面应用的玻璃纤维主要是使用光滑的加捻线，花色加捻线和变形丝，通过热整理和化学整理，产生永久性卷曲。玻璃纤维用于装饰品（如窗纱）具有许多优点，远非有机物材料所能达到的。其中特别有意义的是其不燃烧、不腐烂、不发霉、较高的耐老化性、抗皱性及尺寸稳定性，直接阳光照射下的隔热性、对强烈的紫外线的防护作用和遮光作用。由于不易沾污，管理费用比较低廉。贴墙布。这些织物是防滑的，具有很高的抗张强度，特别适合作石膏墙体，缩孔混凝土结构表面的装璜以及类似的材料。地毯领域。例如作针刺地毯和簇绒地毯以及作蜂窝衬垫底面或光滑泡沫背面的增强材料。沥青油毛毡，玻璃纤维交织物屋顶毡。特别适合在极其平坦的或有水覆盖的屋顶上应用，还可用于墙壁、屋檐、浴室、厕所、厨房、地下室、水槽、桥梁、涵洞及水渠等。玻璃长丝织物适用于垫层和特殊的路面加固，例如我国的京九铁路就使用了大量的玻璃纤维作为铁轨的垫层。防高温服和防火服。通常是用金属真空镀膜或金属薄膜包覆的方法制作金属化的玻璃布。其它。玻璃纤维制成的高功率砂轮和切割园盘，通过玻璃纤维布的增强作用，获得较高的爆破强度。用玻璃纤维制成的织物过滤器在除尘领域显示其重要性。玻璃纤维布制的袋式过滤器可用在熔炉、化铁炉、转炉、发电厂的除尘设备及水泥的除尘设备中。,（2）、绝缘玻璃纤维的应用松散的绝缘玻璃纤维可用作填充绝缘或作绝缘层使用。玻璃纤维在建筑上越来越多地用于保温、防火、隔音等，只有少量用于导冷，可用作住宅、交通工具、冷藏库的绝热材料、管道保温防露用、交通工具吸声材料、内壁、天花板及铁皮屋顶。这些应用在建筑业中根据规范进行调整。此外，玻璃纤维在建筑业中还可以用作外部装饰材料及玻璃纤维增强水泥。其中外部装饰材料富有韧性而质轻、不燃、成形优良而价格低廉。玻璃纤维在工业领域内还有固定在金属或管道上的纤维覆盖层，用于管道和容器的隔热和绝缘。还可用作防腐蚀用的玻璃钢耐腐蚀泵，防火的玻璃钢果皮箱。,（3）、玻璃纤维的其它应用玻璃纤维可以加工成纱、布、带、毡、板及管壳等，用作增强材料；用有机物处理后改善纤维柔性、耐磨性以及手感等，可制成玻璃纤维乳胶布、玻璃布人造革、窗纱、鱼网、贴墙布、蓬盖布及特种防护服，也可用作船舶、车辆的壳体，飞机的部件，风力发电机的叶片及体育用品等。,九、氧化铝和硅酸铝纤维氧化铝和硅酸铝纤维于本世纪四十年代由美国BW公司中央研究所首先研制成功，七十年代末开始用于民用工业。氧化铝和硅酸铝纤维被认为的最佳的石棉替代品之一而广泛应用。氧化铝和硅酸铝纤维也属于陶瓷纤维的一种。,1、纤维的分类氧化铝和硅酸铝纤维的主要成分为Al2O3和SiO2，一般根据Al2O3的含量，可分为硅酸铝纤维和氧化铝纤维两大类。表氧化铝和硅酸铝纤维分类表名称Al2O3（%）SiO2（%）制取方法结构类别硅酸铝纤维低温型4060熔融吹喷法或甩丝法玻璃态纤维散纤标准型5050高温型6040氧化铝纤维955熔液纺丝结晶态纤维长丝,2、氧化铝和硅酸铝纤维的特性氧化铝和硅酸铝纤维具有耐高温、抗热震、低热容、保温性能优良和化学稳定性好的优点。（1）、纺织性能表氧化铝和硅酸铝纤维的纺织性能项目硅酸铝纤维氧化铝纤维纤维直径(m)251012纤维长度(mm)35250连续长丝抗拉强度(N/mm)60080017002080弹性模量(KN/mm)7080130190密度(g/m)2.53.0比表面积(m/g)3101,耐热性：一般低温型硅酸铝纤维的使用温度为1000左右；标准硅酸铝纤维的使用温度为1260左右；高温型硅酸铝纤维的使用温度为1400左右；氧化铝纤维的使用温度高达1600左右。而陶瓷纤维的熔点在17501800之间。导热性：纤维的导热性是所有耐火材料中最低的一种。500时硅酸铝纤维的导热系数为0.070.12W/mK,为轻质耐火砖的1/31/5；1000时氧化铝纤维的导热系数为0.23W/mK。耐热冲击性：纤维为在骤冷骤热的环境中，纤维不会发生剥落，还能抵御弯折、扭曲和机械震动。化学稳定性：纤维几乎不受冷、热水的影响，耐酸性也比较好。只是易受氢氟酸、磷酸和强碱的侵蚀。压缩回弹性：纤维制品柔软而有一定的弹性，受一定压力时能够压缩，压力取消后又能迅速恢复原状。电特性：纤维具有优良的电绝缘性，但绝缘电阻随着温度的升高而降低。,3、纤维制品极其应用广泛地应用于冶金、化工、建材、船舶、航空航天、汽车等行业的耐火、隔热、防火、摩擦制动、密封、高温过滤和劳动保护等领域。毡：可用作工业炉的内衬和膨胀缝的填充物等。纸：将硅酸铝纤维利用抄纸机抄造成0.25mm厚的硅酸铝纤维纸，可用作高温炉和高温气体管道的内衬、电热器具的绝缘层，用于高温气体的过滤等。编织物：在硅酸铝纤维中加入1520%的有机纤维混合纺成连续纱线，制成绳或编织物，或直接利用氧化铝长丝制成编织物，可用于各种工业窖炉及管道接头的隔热、密封，高温环境下工作的电缆的包覆材料，及工业窖炉开口部分的防热幕帘，高温环境下工作人员的防护服装等。,硅酸铝纤维,十、碳化硅纤维碳化硅纤维比硼纤维更能抗氧化，即使在氧化气氛中也能使用。耐热性好，在高温时，比硼纤维更能保持强度和刚度。例如，碳化硅纤维加热到1350时，其强度约损失30%，而硼纤维的强度则全部损失。碳化硅纤维与金属的反应性小，浸渍性良好，与树脂、金属的结合性好。,碳化硅,1、碳化硅纤维的制造（1）、聚硅烷的合成在有机溶剂中，使二氯二甲基硅烷与金属钠作用，进行脱氯反应，生成聚硅烷：（2）、聚碳硅烷的合成将聚硅烷加热到400以上，进行分子重排，使侧链甲基变成亚基进入主链SiSi之间，生成聚碳硅烷：,A、纺丝：用干式纺丝或熔融纺丝，把聚碳硅烷制成纤维状；B、不熔化处理：在较低温度下加热聚碳硅纤维,使其不熔化，以防止纤维在高温烧结时彼此之间发生熔粘；C、烧结：把不熔化的纤维在真空或惰性气氛中加热到12001500，使侧链甲基及氢脱除，仅留剩Si-C键主链，即成为-SiC结构的碳化硅纤维。,2、性能日本碳（株）生产的碳化硅纤维（尼可纶）的性能：单丝直径m:1015断面形状:园形长纤维/粗纱:500线密度tex:200密度g/cm:2.55拉伸强度Mpa:25003000拉伸模量MPa10:1.820最高使用温度:1250,3、应用碳化硅纤维一般作为纤维增强材料，基体可选择树脂、金属和陶瓷等材料。考虑到碳化硅纤维、氧化铝纤维等一类陶瓷纤维的超高耐热性，与金属和陶瓷的相容性，因此它们十分适合制备增强金属复合材料(FRM)和增强陶瓷材料(FRC)，同时这类纤维与基体界面的热膨胀率及导热率非常接近，所在耐热复合材料的开发中发展很快，纤维的加入可提高陶瓷基体的韧性，增加抗冲击强度，预计在航空、航天制品上的耐热部件方面会得到应用。,十二硼纤维,1、硼纤维的制造硼纤维是一种新型的无机纤维，它是一种低密度、高强度、高弹性模量、耐高温纤维。由于硼纤维具有其他陶瓷纤维难以比拟的强度、模量和密度等，是制备高性能复合材料用的重要增强纤维材料。美国是世界上研究开发硼纤维最主要的国家，该纤维在上世纪60年代初是由美国空军材料研究室(AFML)首先研究开发的，现已投入正式生产。此外，瑞士、英国、日本等国也开发出硼纤维。美国TEXTRONSYSTEMS(泰克斯特郎系统公司)是世界上研制生产硼纤维及其复合材料最著名公司之一，硼纤维是该公司的一种重要产品。该公司用钨丝作为芯材，三氯化硼气体作为硼源，用CVD(化学气相沉积)工艺来制备连续单丝硼纤维。,硼纤维的制造方法有化学气相沉积法(又称CVD法)、乙硼烷热分解法、硼熔融法等。其中以CVD法制造连续硼纤维为最