高強玻璃纖維的發展和應用

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高強玻璃纖維的發展和應用

前言
    1938年，美國歐文斯—科寧公司發明了E玻璃纖維。后應美國空軍的需求開發了一種比E玻纖強度和模量更高玻璃纖維，因其強度較高，取名為S玻纖。S玻纖比常規E玻纖拉伸強度提高30％～40％，彈性模量提高15%～20%。1968年推出商用化產品S－2玻纖。1998年后，S－2玻纖由AGY公司生產和銷售。
    法國的圣戈班集團的維托特克斯公司開發出了商標為R（或RH）高強玻纖；日本的日東紡織株式會社，板旭子公司也分別開發出了牌號或商標T及U高強玻纖，前蘇聯的波洛茨克公司（現白俄羅斯）生產牌號BMIl高強玻纖。
    南京玻璃纖維研究設計院，上世紀70年代起成功開發了具有自主知識產權的HS系列高強玻璃纖維，產品性能接近或達到國外先進水平。
    高強玻璃纖維作為先進復合材料的增強基材，最初主要用于航空、航天、兵器等國防軍工領域。隨著科學技術水平進步及世界經濟的發展，高強玻纖在民用一般工業領域如電機行業、風力產業、壓力容器增強、高強格柵、汽車行業、體育休閑器材、海上石油管道、建筑補強得到了廣泛應用。
    近年來，隨著需求的不斷增加，高強玻纖在北美、歐洲等發達國家發展較快，年需求自2004年以來，均以每年25％以上的速度遞增，國外高強玻纖主要由美國AGY公司生產，其生產及銷售量占全世界的80％以上。在我國，高強玻纖作為國家鼓勵重點發展的新材料，被列入國家科技部、財政部、稅務總局共同組織編制的《中國高新技術產品目錄》，中材科技股份有限公司也新建了年產1000t高強玻纖生產線，為日益增長的市場需求提供有利保障。
1 高強玻纖的化學成分
    Si02－Al203－MgO或SiO2－Al203－CaO－MgO是高強玻璃系統主要體系，各種高強玻璃成分的質量分數不盡相同，但其中主要氧化物的含量均比E玻纖高，其中Al203的含量均在25％左右。高強玻纖的化學成分的質量分數見下表1。
2 高強玻纖的性能
    高強玻纖與常用E玻纖相比具有下列主要六大特點：拉伸強度高，彈性模量高剛性好，斷裂伸長量大抗沖擊性能好，化學穩定性好，耐高溫，抗疲勞特性及雷達透波性能好。
2.1 高強玻纖的拉伸強度及彈性模量
    高強玻纖的拉伸強度，彈性模量分別比E玻纖提高了30％～40％和16％～20％以上。用高強玻纖制成的復合材料其強度及模量比E玻纖制成的復合材料分別高近50％。
2.2 耐沖擊性能
    斷裂伸長率表示纖維抗沖擊變形的能力，是材料耐沖擊的重要指標，高強玻纖的斷裂伸長量大于5％，和芳綸纖維、碳纖維相比，其在一定應力下形變能力最大，能充分吸收沖擊能量，該特性決定高強纖維可以作為一種比較理想的防彈材料。
2.3 耐疲勞特性
    高強玻纖的耐疲勞性能比E玻纖高出10倍以上，該特性決定用高強玻纖制成的復合材料具有更長的工作壽命。
2.4 化學穩定特性
    高強玻纖具有高的化學穩定性，其水煮，酸洗，堿洗后強度保持率比E玻纖高。
2.5 耐高溫性能
    高強玻纖在比E玻纖更高的溫度下熔制而成，具有較高的軟化點，通常高強玻纖要比E玻纖更耐100～150℃。
3 高強玻纖制品
    高強纖維制品分為直接制品和復合制品兩類，直接制品分為高強玻纖紗線，合股無捻粗紗，直接無捻粗紗，高強玻纖布，單向布，無捻粗紗布等等。
3.1 紡織紗


    國外高強玻纖有捻紗以9μm68 tex的單捻紗為主，也有少量的9μm33 tex的單捻紗和合股紗，浸潤劑分為淀粉型，直接增強用硅烷型。紡織紗主要用于供應玻纖織布廠家。我國高強紗主要模仿前蘇聯的產品以8μm的直接增強細紗為主。
3.2 無捻粗紗
    高強無捻粗紗通常由直徑9μm以上原絲來合股而成，其浸潤劑分別適用環氧、酚醛、乙烯基等樹脂基體。值得一提的是AGY公司在2000年以后推出ZenTron及VeTron的兩種牌號的直接無捻粗紗。
3.3 高強玻纖布
    國外高強玻纖廠家通常自身不織布，而是將紡織紗供應給專業的織布廠商來織造高強布。
    除上述規格的高強玻纖布外，BGF和HEXCEL公司還制造一些規格的高強單向布和無捻粗紗布。
    中材科技股份有限公司除可以向市場提供高強紗之外，也生產下列規格的高強玻纖布。



4 高強玻纖的主要應用領域
4.1 航空、航天
    目前高強玻纖在世界航空領域中占20％～30％市場，常見的材料有GLARE層板，S玻纖單向預浸料以及S玻纖細紗布。其用途作為飛機內裝材料，地板，艙門，機翼前緣；雷達罩：副油箱；直升飛機機翼等等。
4.2 國防軍事、警用器材
    高強玻纖斷裂伸長量大抗沖擊性能好，高強玻纖的斷裂伸長量大于5％使之能成為吸收能量的理想材料，高強無捻粗紗方格布和酚醛樹脂復合制成高強玻纖復合材料層壓板可以用于各種軍事或民用目的防彈裝甲。
4.3 一般民用工業
4.3.1 汽車工業
    利用高強玻纖的耐高溫性能；用作SilenteX消音器填料減少噪聲；高強玻纖與橡膠材料復合制作同步帶，這種同步帶用在汽車發動機內比金屬鏈更耐高溫、耐腐蝕。
4.3.2 壓力容器增強
    高強玻纖可以直接用于纏繞各種高壓氣瓶（醫療、煤礦、消防、登山體育用），或者和碳纖維一起使用，增強氣瓶的抗沖擊力和耐磨擦性能。
4.3.3 電機行業
    傳統換向器加強環多為金屬環，不僅強度低（只有400MPa），也不絕緣，采用高強玻纖生產的加強環不僅具有良好的絕緣性能，強度也可以達到800～1200MPa，是鋼環的2～3倍，能確保轉子軸在高速運轉下產生強大的離心力，對漆包線起到固定作用。
4.3.4 高強格柵
    高強玻纖強度高，耐腐蝕性能好，用于生產超長跨距格柵，其縱向筋條的間隔可以非常大。國內客戶生產的高強格柵產品通過美國海岸警衛隊測試，在海洋石油平臺，人行通道，船甲板，地鐵。煤礦等緊急逃生通道或救生場所得到廣泛的應用。
4.3.5 風力發電
    據國外研究，單臺風力機組的發電量和風力葉片的長度的平方成正比，這就要求風力葉片尺寸能盡量的長，以提高發電效率降低發電成本。葉片的大型化就要求葉片本身剛性硬度高，以避免在強風時葉片彎曲變形和塔身相碰。現在研究表明：E玻纖的理論設計極限葉片長度50米左右，因此我有理由相信隨著風電產業的發展高強纖維必將會得到應用。
4.4 體育、休閑行業
    高強玻纖作為纖維增強材料用來制作滑雪板和沖浪板、游艇、帆船等陸上及水上項目用品；也可以用來制作釣竿、曲棍球棍、棒球和壘球棒等等。