玻璃纤维的生产工艺及流程

1、玻璃纤维生产工艺流程及产品基础知识第一章 概论20世纪30年代未自E玻璃纤维问世并且出现环氧树脂和不饱和聚酯以来迎来了了无机材料相结合而成的、具 有新型功能的复合材料时代为玻璃纤维电气层压材料和玻璃纤维增强塑料FRP的发展奠定了基础。 时至今日玻璃纤维生产已发展成为一门独立的工业体系成为现代 非金属材料家族中具有独特功能的材料它们属微米级玻璃态纤维又借鉴了传统的纺 织技术创造出独特的后加工体系制造出玻璃纤维材质的制品在机械、电气、光学、 耐腐蚀、绝热及吸声等方面发挥出独特的性能应用领域很快遍及电子、电器、交 通、建筑、航空、航天、环保和国防军工等国民经济的各个部门。 上世纪五十年 代未玻璃纤维

2、池窑拉丝工艺获得了成功标志着玻璃纤维制造技术上的一次飞跃。池 窑拉丝工艺具有生产温度制度合理节省能源消耗生产工艺稳定产品产量、质量提高 等优点在池窑拉丝工艺线上很快就实现了大规模化生产。并且很快实施了最先进的 全自动控制技术劳动生产率大幅度提高。因此池窑拉丝工艺已成为当今国际上通用 的主流技术。目前全世界已经有 95 以上的玻璃纤维都是采用池窑拉丝法进行生产 的。 第二章 无碱玻璃纤维生产原理及工艺流程 一、 无碱玻璃概念 无碱玻璃系 指成分中碱金属含量小于0.8的铝硼硅酸盐玻璃。国际上通常叫做“ E”玻璃。最 初是为电气应用研制的但今天 E玻璃的应用范围已远远超出了电气用途成为一种通 用配方

3、。国际上玻璃纤维有90以上用的是E玻璃成份。E玻璃成份的基础是 SiO2、Ai2O3、CaO三元系统其组成为 SiO2、62、Ai2O3、14.7 、CaO 22.3在此基础上添加B2O3代替SiO2添加MgO弋替部分CaO形成现在通用的E玻 璃成份。各国生产的E玻璃大体相仿仅在不大的范围内稍有不同。变动范围大致如 下 SiO2 55-57 CaO 12-25 Ai2O3 10-17 MgO 0-8 玻璃中各氧化物的变动会改变玻 璃的性能。 二、 无碱玻璃纤维原料 1 、主要原料 石英石引入二氧化硅 SiO2 叶 腊石引入氧化铝Ai2O3石灰石引入氧化钙CaO纯碱引入氧化钠Na2O 2辅助原

4、料 澄清剂 硫酸盐 卤化物 复合澄清剂 3 、无碱玻璃池窑用原料的质量要求品 种外 观 化 学 成 份 粒 度 叶腊石 白色细粉不含任何结块和杂质 Ai2O320-25 土 5R2O0.6Fe2O30.3土 0.1TiO2 0.8SO30.6 水分 0.5 200 目全通过 325 目筛 1 高岭 土 接近白色的细粉不含任何团块和杂质 SiO246.0 土 0.6Ai2O338.0 土 0.5 Fe2O3O.5R2OO.5 TiO298Ai2O30.5R2OC 0.2水分0.5 200目全通过325 目筛余 1 硼钙石 白色粉状无结块和杂质 B2O3 42 土 0.5CaO 29土仆e2O3C

5、 0.3SAS微量水分1.0 30目全通过50目筛余1200目筛余30硼镁石 白 色粉状无结块和杂质 B2O332土 1MgO1土 1 Fe2O30.1R2OC0.2水分1.0 30目全 通过 50目筛余 1200目筛余 30 硼酸 H2BO399.5R2O0.1Fe2O3 0.1 20目筛余 1200 目筛余90萤石 浅黄浅灰色粉状无结块和杂质 CaO 85SiO25 Fe2O30.2水分1.0 50目全通过200目筛余30芒硝 白色细粉不含任何团块和杂质 Na2SO伞98水分 1.0化工产品 硝酸钠 白色细粉不含团块和杂质 NaNO書98水分w 1.0 30目筛余 1100目筛余 30 4

6、、原料的质量管理 1 建立原料质量技术规范 在供销合同上注明 原料的质量要求统一双方的检测方法和质量仲裁单位。 2 建立原矿加工前的质量 检测包括化学分析矿相分析避免有害矿物杂质的混入粒度、水分的分析碳、有机特 的污染防止必要时测定原料的化学氧需要值即CODS控制它的波动范围。原料矿石加工一定要有批量每批至少 500T以上才能保证其质量的稳定性。块矿进厂要分堆码放每堆矿石插上标牌标明品名、产地、批量、进货日期等等。堆场必须是水泥 混凝土地防止泥土等其它杂质混入。 5 、原料的均化 1 原料均化的必要性 玻璃纤 维生产过程中要获得优质稳定的玻璃液时首先要对其原料的质量稳定性、原料化学 成分的均匀

7、性提出更高的要求。天然矿物原料的氧化物含量不可能很纯波动也很大 而且常常带些有害杂质。如 E 玻璃所需的叶腊石同一产地、不同坑口、不同批次的 AI2O3含量变化很大不同产地矿石的矿相结构和成分波动更大此外粉料的粒度在进 仓时不可避免地会发生一定程度的粒度分层如果料仓内流动形式属于明显的“漏斗 流”料仓则会使原料的粒度波动加大粒度与成分的关系密切所造成的成分波动也大 因此有必要在加工时进行均化。 2 原料粉体的均化 粉体的均化可由多种形式来进 行常用的方法有三种 机械均化 重力均化 气力均化 原料粉体需要控制以 下几个要素 均匀度化学成份 含水率 三、配合料制备 配合料首先需要解决 的问题是各种

8、原料的配比也就是料方设计。 1、玻璃配合料的料方设计依据 1 玻 璃纤维制品要求的基本性能2玻璃熔制性能2、辅助原料含量的确定以100Kg玻 璃为基准分别计算各辅助原料在其中的重量百分比含量。 3 、配合料的计算方法 配合料的计算是以玻璃的重量百分数和原料的化学成分为基础计算出熔化100Kg玻璃所需各种原料的用量然后算出每副配合料一般为 8001000Kg中各种原料的用量。 计算方法一般是算术渐进法和联立方程法通常可以用二者相结合的方法计算。 4 、 配合料的制备1配料工艺流程E玻璃粉料特点是干燥的微粉流动性好在配制上要 求全密封运行防止粉尘飞扬。物料输送采用气力系统称量采用电子称混合多数采用

9、 气力混合输送设备。物料的输送、称量、混合、直至发送到窑头仓可连续、自动完 成。 配料生产工艺线主要由上料、称量和混合、输送三部分组成。 2 主要配料主 设备 气力发送罐单仓泵 螺旋给料机 气力混合罐 双向分配器 电子 称。5、配合料的质量检测内容1配合料均匀性能检测2配合料中COD值控制 6配合料控制系统简介配合料控制系统由PLC可编程控制器加PC个人电脑上位 机或触摸屏再配以相应的继电器组成。PLC控制系统主要功能1数据存贮5快速供料预置 9 公差检查 2 零点误差核对 6慢速供料预置 10 成分误差检查 3 自动去 皮 7 自动快加料预置调节 11 自动精密送料 四、纤维玻璃的熔制 1

10、、纤维玻璃熔 制的工艺原理 所谓玻璃的熔制过程是指配合料在高温下经过硅酸盐反应、熔融再 转化成均质玻璃液的过程。 所谓熔融是指配合料反应后固相相融的过程澄清是指 从熔融的玻璃中排除气泡的过程而均化是指把线道、条纹以及节瘤等缺陷减少到容 许程度的过程也是把玻璃的化学成分均化的过程。这些过程是分阶段交叉进行的。 2、熔制设备 1 熔窑 2 附属设备 投料机 鼓泡器 燃烧系统由熔窑燃烧系统 和通路燃烧系统两部分组成 金属换热器。 注鼓泡器的工作原理为了强化玻璃液 的均化效果和澄清效果采用池底鼓泡是十分有效的办法。它是将净化的压缩空气从 窑底鼓泡管鼓入玻璃液中使它在熔窑深层的玻璃液中产生一定压力的气泡

11、并迅速上 升到玻璃液的表面而破裂。在上升过程中吸收了玻璃液中的小氯泡使其本身迅速长 大并搅动四周的玻璃液强制其均化和促进了澄清。所谓鼓泡器就是在熔化池热点附 近设置一排鼓泡点鼓出的气泡将沿着熔窑的宽度方向上升形成一排“幕帘”将深化 池分成两个单独的循环区域这一排鼓泡设在玻璃液热点附近将推动两股环流向前后 两个方向运动前面的环流有着阻挡玻璃液回流的作用后边的环流迫使配合料较长时 间滞留在熔化区域中进行充分熔化而不会越出鼓泡区即不会跑料。 金属换热器的作用一般水平烟道进口的烟气温度在 1500C以下经水平烟道和垂直烟道的冷却后 也仍可能达13001400C左右。通过金属换热器回收余热可使助燃空气温

12、度预热到 700850C。相当于增加3040的热能利用率提高了燃料的理论燃烧温度增强了火焰 国辐射强度对提高单元窑熔化能力也有好处所以其综合节能效果还要大。3、 E玻璃熔窑选用的主要耐火材料 1 致密氧化铬砖 2 致密氧化锆砖 3 标准锆砖 4 烧结莫 来石砖 5 电熔铬刚玉砖 6 电熔锆刚玉砖 五、玻璃纤维的成型 池窑拉丝采用微粉 原料制成配合料经窑头料仓、螺旋投料机送入单元熔窑。熔化好的玻璃液自单元窑 熔化部流出后即进入主通路或称澄清均化或调节通路进行进一步澄清均化和温度调 理然后进入过渡通路或称分配通路和作业通路或称成型通路再经流液槽进入铂铑合 金漏板。漏板底部一般密布 8004000只

13、漏嘴。池窑拉丝生产线通常分上下两层作业 上层为漏板拉丝操作区底层为拉机卷绕操作区。 1、铂合金漏板 漏板是玻璃纤维 生产中主要装置之一形状为一个槽形容器。在拉过程中熔融玻璃流入漏板由它将其 调制到适合温度然后通过底板上的漏嘴流出并在出口处被高速旋转的拉丝机拉伸为 连续玻璃纤维。在以上过程中漏板自身通过电流发热调制玻璃液的温度并维持足够 均匀的温度分布以满足拉丝工艺需求。 漏板的组成 底板其上有所需数目的漏嘴 侧壁 堵头接线端子也称为 电极 滤网 法兰等。 漏板材料的要求漏板 的使用工作温度为1200C左右工作环境处于高温氧化和玻璃液浸蚀的状态正常的 拉丝作业又需要漏板尽可能长期保持良好的尺寸稳

14、定性和导电性此外材料的选择不 觉受到其机加工性能经济性等因素的制约因此漏板材料大体上应具备如下要求 较高的熔点高温强度和较好的抗变形能力 良好的高温抗菌素氧化性和化学稳定 性 良好的延展性和可焊性易于加工成型 抗玻璃液浸蚀能力强 可以循环 使用且使用和回收损耗低 适宜拉丝的热电性能。 2、玻璃纤维的成型原理 高 温粘性的玻璃液呈滴状从漏嘴流出后被下面的拉丝机以一定的恒定速度牵伸并固化 成一定直径的连续玻璃纤维。在漏嘴出口下部由于玻璃液的表面张力和牵伸力的平 衡形成一个形状如新月形的直径渐渐变细的部分叫做丝根。由漏嘴出口直到最终直 径不变的纤维这段距离叫纤维成型线。包含这段纤维线的区间叫纤维成型

15、区。在漏 嘴出口到拉丝机上纤维卷取点的距离叫拉丝作业线这段距离视工艺要求可以人为地 规定得长些或短些。纤维成形过程中纤维成形总是比拉丝作业线短得多。丝根和纤维成型线是否稳定是拉丝机能否得到直径均匀的优质纤维和降低断头的关键。与 此有关的工艺参数主要有液面高度、漏板温度、拉丝速度、玻璃液性质、冷却条 件、牵伸比及气流控制等 8、池窑拉丝成形工艺 1 池窑漏板的安装与升温 具体步 骤如下 漏板浇注模具及材料准备 浇注漏板托砖 漏板安装 漏板升温。 2成型工艺装置 包括 漏板 丝根冷却器 喷水雾器 单丝涂油器 分束器 集束器 慢拉辊 气流扩散板 拉丝机。 3 成形工艺位置线 所谓成形工艺 位置线就是

16、指漏板、涂油器、集束器和拉丝机的排线轮与机头之间的布局位置关 系。这种布局可以是单层布置也可以是双层布置我公司目前采取的是双层布置。4纤维成形区的气流控制 纤维成形区从工艺角度上看也可以视为整个单根纤维丝所 构成的扇面区域这个区域中气状态既不容易直观看到也不易为人们所重视。实际上 气流状态的好坏对于稳定拉丝作业和得到优质产品的重要性丝毫不亚于以上所述的 硬件漏板、温度控制系统、涂油器、集束器以及拉丝机等质量的好坏。气流状态首先影响玻璃从液态丝根被牵伸为纤维时的冷却过程。气流不稳定轻则造成纤维直径粗细不匀重则造成断头。另外纤维以很高速度在运动周围气体介质必然要对它有 摩擦力以附加在纤维上的张力形

17、式出现。显然为克服气体磨擦力而造成的纤维张力 大小是直接和气流的状态有关系的。实验证明因气流状态不理想造成的张力值能占 纤维上总张力的 40左右这是一个不小的数值不可忽视。 3 、拉丝机 拉丝机是生产 连续玻璃纤维的主要设备它的主要功能是将漏板漏嘴流出的玻璃液拉伸成一定细度 的玻璃纤维并以某种排线方式交其规则地卷绕成为特定要求的原丝筒以供下道工序 使用。 拉丝机的种类从广义上可归纳为两类即硬筒机头拉丝机和软筒拉丝机。 6 玻璃纤维成型过程的影响因素 1 漏板温度 2 拉丝速度 3 玻璃液面高度 4 漏嘴孔 径及长度4、DCS空制系统在熔制与拉丝过程中的应用 DCS控制系统是完成从投料 到拉丝漏

18、板这一核心生产段的连续过程的控制系统。DCS系统具有连续控制、批量控制与顺序控制的功能其中以连续控制见长。DCS控制系统具体功能主要有1自动控制 2 数据采集 3 报警 六、玻璃纤维浸润剂 1 、浸润剂概论 在玻璃纤维拉 丝过程中需要在玻璃纤维表面涂覆一种以有机物乳状液或溶液为主体的多相结构的 专用表面处理剂。这种涂覆物既能有效地润滑玻璃纤维表面又能将数百根乃至数千 根玻纤单丝集成一束还能改变玻璃纤维的表面状态这样不仅满足了玻纤原丝后道工 序加工性能的要求而且在复合材料中还能促进玻璃纤维与被增强的高分子聚合物的 结合。对这些有机涂覆物统称为玻璃纤维浸润剂简称拉丝浸润剂。 浸润剂能有效 地改变玻

19、璃纤维某些缺陷和表面性质使玻璃纤维及其制品得到更广泛应用。对各种 不同的玻璃纤维增强材料的成型工艺同样必须有专用的浸润剂与之配套赋予玻纤制 品无捻粗纱、毡或织物各种加工工艺及玻璃纤维增强树脂FRR增强水泥GRC增强橡胶等制品所必需的技术性能如穿透性、硬挺性、切割性、分散性、成带性、短 切纱的流动性等等。可以说浸润剂技术的发展是玻璃纤维工业及FRP工业发展的先决条件之一。 2 、浸润剂的作用 在玻璃纤维生产和应用中浸润剂的作用可概括为 以下几个方面 1 润滑保护作用 2 粘结集束作用 3 防止玻璃纤维表面静电电荷的积 累 4 为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性 5 使玻璃纤维获得与基材有

20、 良好的相容性及界面化学结合或化学吸附性能。 3 、浸润剂的分类 1 增强型浸润 剂 2 纺织型浸润剂 3 增强纺织型浸润剂 4 、浸润剂的组分 浸润剂是多种有机物和 无机物混合而成的体系从外观看可以是深液、乳状液、触变型胶体或膏体。因其作 用和性能多样其组分相当复杂。其配方包含的主要组分和辅助组分如下 1 主要组 分为偶联剂成膜剂 润滑剂抗静电剂。 2 辅助组分为 润湿剂 pH 值调 节剂 增塑剂 交联剂 防腐剂或杀菌剂 消泡剂 颜料。 七、玻璃纤维的 原丝烘干 1 、原丝烘干的目的 玻璃纤维在拉制成型后经过集束器将纤维集束成原 丝再经过排线器将原丝卷绕在拉丝机的机头上从机头上卸下的半成品称

21、谓原丝丝 饼。可通过生产工序将其制作各类玻纤制品。为了减轻纤维与集束器和排线器等的 接触磨擦并保护纤维的原形以及赋予纤维某些特殊性能在拉制成型过程中必须对纤 维外表面通过涂油辊或槽轮涂覆浸润剂。这种浸润剂可分淀粉型和增强型两大类前 者用于纺织纱后者用于增强型制品。它们通常都是水乳液。该液除了润滑、粘结等 主要组分外其余 80 以上是水。一般一个原丝饼所含的水分大约是其总重量的 814。这些水分对后道加工工序和制品有不利影响因此必须除掉。对非增强型普通玻纤原丝原丝含水量允许大一点而且原丝从拉丝、退并、整经、织造等多种工序经 过的时间较长所以只需要通过自然干燥就可满足生产工艺和制品的要求具体的作法

22、是将原丝挂在小车上放在常温室内 12 天让其自然干燥。原丝也可以在退并时用热 风3040C吹烘。对增强型玻纤原丝含水量必须控制在一定的范围一般含水率在 0.1 左右有的达 0.07 以下我公司软质纱控制在 0.1 硬质纱控制在 0.2 之内。用自 然干燥难以实现上述要求这就必须采用专用的烘干设备给予人工干燥。增强型玻纤原丝的烘干目的主要有两个 去除原丝丝饼内的水分使其含水率达到规定的指 标 浸润剂中的粘结剂经过加热熔融后转为聚合、交联、成膜使原丝性能得到改 善。 2 、原丝烘干过程 玻纤原丝线在烘干炉内的烘干过程大致可分两个阶段 1 预 热 预热温度设定为105120C预热时间1.53h。 2

23、烘干 烘干温度、时间由各类增 强性玻纤原丝和其相应的浸润剂要求而定。烘干温度在120135C范围烘干时间在818h。 3、影响玻璃纤维原丝烘干的因素 1 温度 2 风量 3 相对湿度 4 原丝丝饼厚 度及其排列5浸润剂6原丝Tex7烘干方式4、烘干炉种类1间歇炉2蒸汽隧道炉 3微波隧道炉 5、烘干炉的组成 1 热源部分 2炉体结构 3热风循环系统 4温度控制 系统 5 排气系统 6大型隧道式烘干炉还有传动装置。 七、玻璃纤维生产工艺流程 图 成 第三章 玻璃纤维制品基本知识 一、玻璃纤维纺织制品概述 1 、分类 玻璃 纤维纺织制品的国际标准名称为 Textile Glass 。标准定义是“以连续玻璃纤维或 定长玻璃纤维为基材制成的纺织制品的通称”。 玻璃纤维制品总体分为无纺制品 和纺织制品两大类。我公司目前生产的玻纤制品总体属于无纺制品类 按产品形态 划分可分为纱线和织物两大类别。 原料 加工 加工 工 配合料制备 熔制 成型 烘 干 浸润剂 在线 短切 直接线包装入库 系列毡制品加工 方格布织造 合股纱络制 离线短切加工 包装入库 包装入库 附注国际标准定义