趙家琪，趙曉明，李錦芳，郭映雪

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津300387)

世界玻璃纖維工業(yè)創(chuàng)立于1938年，國外已有50余年的發(fā)展史。玻璃纖維的產(chǎn)量、生產(chǎn)工藝、品種規(guī)格以及應(yīng)用領(lǐng)域都在不斷發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上生產(chǎn)玻璃纖維的國家有三十多個，破璃纖維有近五千種，用途有四萬余種。作為新型材料，玻璃纖維增長十分迅速。

我國玻璃纖維工業(yè)始于1958年，技術(shù)主要來于前蘇聯(lián)。當時，國外對我國進行技術(shù)封鎖，導致國內(nèi)玻璃纖維行業(yè)只能采用產(chǎn)量低、性能不穩(wěn)定、能耗大、污染大的200孔球法坩堝拉絲工藝生產(chǎn)。1980年后，我國引入了玻璃纖維池窖拉絲法生產(chǎn)工藝，用該方法生產(chǎn)玻璃纖維可以達到產(chǎn)量高、能耗低的效果。新工藝的引進加快了我國玻璃纖維行業(yè)的發(fā)展，使得生產(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量都在逐年增加。

玻璃纖維是性能優(yōu)異的無機非金屬材料。具有不燃、耐高溫、絕緣、拉伸強度高的優(yōu)點以及良好的化學穩(wěn)定性。由于玻璃纖維的優(yōu)異性能，使得玻璃纖維產(chǎn)品被廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域，諸如石油、化工、建筑、環(huán)保以及航空、國防等領(lǐng)域。

1 玻璃纖維及其產(chǎn)品的分類及應(yīng)用

玻璃纖維，英文名稱:glass fiber或 fiberglass，其種類繁多且耐熱、抗拉強度高、絕緣性好、抗腐蝕，是具有優(yōu)異性能的無機非金屬材料;但同時，也存在著性脆、不耐磨的缺點［1］。玻璃纖維是將玻璃高溫熔化之后，再經(jīng)過拉絲、絡(luò)紗、織布等工序制成。玻璃纖維主要應(yīng)用于增強復合材料、絕緣以及保溫隔熱材料，其產(chǎn)品在各領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

1.1 玻璃纖維的特性

玻璃纖維的熔點為680℃，沸點為1000℃，密度為2.4～2.7g/cm3。抗拉強度在標準狀態(tài)下是6.3～6.9 g/d，濕潤狀態(tài)5.4～5.8 g/d，密度2.54。玻璃纖維的耐熱性好，同時是絕緣性良好的高級絕緣材料，適用于生產(chǎn)絕熱防火材料［2］。玻璃纖維的分子結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 玻璃結(jié)構(gòu)

1.2 玻璃纖維的成分

生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃與其它玻璃制品的玻璃不同。生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃所含成分如下:

(1)E-玻璃，又稱無堿玻璃，屬硼硅酸鹽玻璃。在目前生產(chǎn)玻璃纖維用的材料中，無堿玻璃的應(yīng)用最多。無堿玻璃具有良好的絕緣性和機械性能，主要用來生產(chǎn)絕緣玻璃纖維和高強度玻璃纖維，但是無堿玻璃不耐無機酸腐蝕，所以不適合在酸性環(huán)境中使用。

(2)C-玻璃，又稱中堿玻璃。與無堿玻璃相比，有較好的耐化學性，電氣、機械性能差。在中堿玻璃中添加三氯化二硼可生產(chǎn)玻璃纖維表面氈，具有耐腐蝕的特性。不含硼的中堿玻璃纖維主要用于生產(chǎn)過濾織物與包扎織物。中堿玻璃纖維的幾種主要纖維紗的指標參數(shù)如表1。

表1 中(無)堿無捻玻璃纖維紗的主要指標

(3)高強玻璃纖維，顧名思義，高強玻璃纖維具有高強度高模量的特性。其纖維抗拉強度為2800MPa，高于無堿玻纖抗拉強度25%左右，彈性模量為86000MPa，高于 E-玻璃纖維［3］。高強玻璃纖維的產(chǎn)量不高，加上其高強度高模量的特性，所以一般用于軍工、航空航天及運動器械等領(lǐng)域，其他領(lǐng)域應(yīng)用并不廣泛。

(4)AR玻璃纖維，又稱耐堿玻璃纖維，是一種無機纖維。耐堿玻璃纖維耐堿性好，可抗高堿物質(zhì)的腐蝕。具有極高的彈性模量以及抗沖擊、抗拉、抗彎強度，同時還具有不燃、抗凍、耐溫濕變化能力強，抗裂、抗?jié)B性能好，可塑性強，易成型的特性［4］，是玻璃纖維增強混凝土的肋筋材料。

(5)A玻璃，又稱高堿玻璃，是一種鈉硅酸鹽玻璃。因其耐水性較差，故一般很少用于生產(chǎn)玻璃纖維。

(6)E-CR玻璃，是一種無硼無堿玻璃。E-CR玻璃的耐水性約為無堿玻璃纖維的7～8倍，耐酸性要比中堿玻璃纖維好［5］?？捎脕砩a(chǎn)耐酸、耐水性高玻璃纖維，其產(chǎn)品主要用于地下管道及貯罐的表層防護。

(7)D玻璃，又稱低介電玻璃。用于生產(chǎn)介電強度好的低介電玻璃纖維。

1.3 玻璃纖維的物理性能

玻璃纖維的物理性能主要表現(xiàn)在密度、斷裂強度、尺寸穩(wěn)定性以及硬度方面。表2列出了玻璃纖維與其他幾種纖維的主要性能。

表2 玻璃纖維與其他幾種纖維的主要性能

從上表列出的數(shù)據(jù)對比可看出玻璃纖維的密度比有機纖維的密度高，比金屬纖維的密度低。另外玻璃纖維的硬度遠高于錦綸，具有良好的抗彎曲性。相同質(zhì)量下玻璃纖維的斷裂強度約為鋼絲的2～4倍，具有較高的拉伸強度。玻璃纖維的最大伸長率僅為3%，尺寸穩(wěn)定性極佳［5］。

1.4 玻璃纖維的化學性質(zhì)

玻璃纖維是一種無機纖維，自身不燃，耐熱性佳。玻璃纖維的導熱系數(shù)很小，所以它常用于管道和容器的隔熱，或者用來制作成型件的絕緣殼;玻璃纖維具有良好的抗腐蝕性，化學性質(zhì)十分穩(wěn)定。同時，玻璃纖維還具有高比電阻和低電介質(zhì)常數(shù)。

玻璃的成分決定玻璃纖維的電性能，尤其是堿氧化物成分含量。玻璃纖維還具有不易老化、抗腐蝕、防紫外線、不發(fā)霉的特性。可以通過采用適合的表面處理劑來改善玻璃纖維的加工性能。

玻璃纖維自身的特性，導致玻璃纖維的耐磨性、吸濕性、抗彎性、柔軟性都較差的缺陷。斷落的玻璃纖維，觸及人體使人感覺不舒服，皮膚發(fā)癢。另外，玻璃纖維染色困難，生產(chǎn)成本較高。

玻璃纖維由氧化鎂、氧化鋁、氧化硼、氧化鈣、氧化鈉、二氧化硅等成分構(gòu)成［6］。玻璃纖維中堿含量為0% ～2%的玻璃纖維稱為無堿玻璃纖維，堿含量為8%～12%的玻璃纖維稱為中堿玻璃纖維，堿含量高于13%的玻璃纖維稱為高堿玻璃纖維。

1.5 玻璃纖維的作用

玻璃纖維可用于增加材料剛性、硬度，例如添加玻璃纖維的塑料的強度和剛性都會有所增加，但韌性會下降;添加了玻璃纖維的材料，耐熱性將會有所增加，例如添加玻璃纖維的尼龍，其耐溫達220度以上。玻璃纖維還具有以下作用:提高材料尺寸穩(wěn)定性;降低材料收縮率、減少材料翹曲變形、蠕變;干擾材料阻燃體系，影響材料的阻燃效果;降低材料表面的光澤度;增加材料的吸濕性;影響材料的脆性、沖擊強度。

根據(jù)玻璃纖維不同的特性，可以生產(chǎn)不同種類的應(yīng)用材料，如玻璃纖維具有耐熱、不燃的特性，可以生產(chǎn)防火隔熱產(chǎn)品;耐腐蝕的特性可以在生產(chǎn)工業(yè)過濾材料方面得到應(yīng)用;其較高的抗拉強度與吸水性小的特點可用來生產(chǎn)減震材料與防潮材料。

1.6 玻璃纖維的制造工藝

玻璃纖維的制造過程一般是先將原料進行熔融，之后進行纖化處理，如果要制成玻璃纖維球或者纖維棒的形狀，則不能直接進行纖化處理。玻璃纖維的纖化工藝有三種:

拉絲法——主要方法為長絲噴嘴拉絲法，其次為玻璃棒拉絲法和熔體滴拉絲法［7］;

離心法——轉(zhuǎn)鼓離心法、階梯離心法和水平瓷盤離心法;

吹噴法——吹噴法和噴嘴吹噴法。

以上幾種工藝也可以聯(lián)合使用，如拉絲—吹噴法等。

后加工在經(jīng)過纖化之后進行。紡織玻璃纖維的后加工分為以下兩大步驟:

(1)在生產(chǎn)玻璃纖維過程中，卷繞前合并在一起的玻璃長絲要進行上漿處理，在收集與孔眼轉(zhuǎn)鼓前要用潤滑劑對短纖維進行噴灑［8］。

(2)進一步加工，根據(jù)玻璃短纖維和玻璃短纖維粗紗的情況不同，有如下步驟:

①玻璃短纖維加工步驟:

②玻璃短纖維粗紗加工步驟:

1.7 玻璃纖維產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域

玻璃纖維產(chǎn)品主要為以下幾種:

(1)玻璃布。分為無堿和中堿兩類。無堿玻璃布主要用來生產(chǎn)車體和船體的外殼、模具、貯罐以及絕緣電路板。中堿玻璃布主要用于生產(chǎn)耐腐蝕產(chǎn)品如化學品容器，也可用來生產(chǎn)涂塑包裝布［9］。生產(chǎn)織物所選用纖維的性能以及織物的紗線結(jié)構(gòu)和經(jīng)緯密度影響著織物的特性。

(2)玻璃帶。由玻璃纖維通過平紋編織制成，有光邊帶和毛邊帶兩種。一般要求介電性能好以及高強度的電氣設(shè)備的零件都是用玻璃纖維制造的［9］。

(3)單向織物。單向織物由粗經(jīng)紗和細緯紗織成的四經(jīng)破緞紋或長軸緞紋織物。特點是在經(jīng)紗主向上具有高強度。

(4)立體織物。具有三維結(jié)構(gòu)特征的織物，能夠增強復合材料的整體性和仿生性，并且可以增加復合材料的抗損傷容限，在體育、醫(yī)療、交通、航天、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。立體織物包括機織、針織三維織物;正交、非正交三維織物。立體織物的形狀有柱狀、管狀、塊狀等。

(5)槽芯織物。將兩層平行織物通過縱向豎條連接形成的織物，截面為矩形或者三角形［9］。

(6)異形織物。異形織物形狀相似于其要增強的產(chǎn)品形狀，因此根據(jù)其增強的產(chǎn)品的形狀不同，須按不同要求在專用織機上進行織造?？梢灾瞥蓪ΨQ與不對稱兩種形式的異形織物。

(7)組合玻璃纖維。按一定順序?qū)⑦B續(xù)原絲氈、短切原絲氈、無捻粗紗以及無捻粗紗織物進行混合生產(chǎn)而出的制品。這些組合順序一般為短切原絲氈+無捻粗紗織物;短切原絲氈+無捻粗紗布+短切原絲氈;短切原絲氈+連續(xù)原絲氈+短切原絲氈;短切原比氈+隨機無捻粗紗;短切原絲氈或布+單向碳纖維;短切原絲+表面氈;玻璃布+單向無捻粗紗或玻璃細棒+玻璃布。

(8)玻璃纖維絕緣套管。將樹脂材料涂在管狀玻璃纖維織物上而形成的。其種類包括PVC樹脂玻纖漆管、丙烯酸玻纖漆管、硅樹脂玻纖漆管等。

(9)玻璃纖維縫編織物。又稱為編織氈或針織氈，與普通的織物和氈有所不同［9］。通過縫編把重疊在一起的經(jīng)紗與緯紗編織成的織物就是縫編織物。縫編織物與玻璃鋼的層合制品，在抗彎強度、抗張力強度以及表面光滑度方面都有較高的提升［10］。

(10)玻璃纖維布。玻璃纖維布分為六個種類，分別是:玻纖網(wǎng)格布、玻纖方格布、玻纖平紋布、玻纖軸向布、玻纖電子布。玻璃纖維布主要被應(yīng)用于玻璃鋼行業(yè)，也可用于建筑行業(yè)。在玻璃鋼行業(yè)的應(yīng)用中，玻璃纖維布的主要作用是用來增加玻璃鋼強度。在建筑行業(yè)的應(yīng)用中，用于制作建筑外墻保溫層，內(nèi)墻裝飾，內(nèi)墻防潮防火材料等。

2 國內(nèi)外玻璃纖維行業(yè)發(fā)展狀況

玻璃纖維世界很精彩，產(chǎn)品日新月異，琳瑯滿目。目前世界范圍內(nèi)碳纖維的品種已達到5000多種，有60000多個規(guī)格用途，在冶金、化工、通訊、電子、建筑、航空航天、交通運輸以及其他高新領(lǐng)域都有應(yīng)用，可以說，已成為全球二十一世紀不可缺少的可持續(xù)發(fā)展的高新功能材料與結(jié)構(gòu)材料。目前全球玻璃纖維總產(chǎn)量正以年平均增長16－20萬噸的規(guī)模，品種和規(guī)格以年平均增長1000－1500種的速度迅猛向前發(fā)展。

2.1 國外玻璃纖維行業(yè)的發(fā)展狀況

2003年全球玻璃纖維總產(chǎn)能已達到300萬噸，實際生產(chǎn)總量為250萬噸，其中池窯拉絲產(chǎn)量已占總產(chǎn)量的85～90%，在250萬噸總產(chǎn)量中，用于增強熱固性塑料的制品約有100萬噸，用于熱塑性塑料的制品有70萬噸，這兩種制品共占總產(chǎn)量的68%。若按制品的用途詳細分類，則用于交通的占24%、建筑18%、電器14%、工業(yè)裝備12%、基礎(chǔ)設(shè)施7%、消費品8%、船舶6%、其它11%［11］。

2010年全球玻璃纖維總產(chǎn)能達到471.5萬噸。其中，無捻粗紗產(chǎn)能達384萬噸，產(chǎn)能分布為:亞洲220萬噸，歐洲85萬噸，美洲79萬噸［12］。紡織紗產(chǎn)能為87.5萬噸，產(chǎn)能分布為:中國60萬噸，日本5萬噸，美洲18萬噸，歐洲4.5萬噸。上述產(chǎn)能實現(xiàn)70% ～80%，2010年，全球玻璃纖維實際總產(chǎn)量達330 ～380萬噸［12］。

從2003年300萬 噸的總產(chǎn)能到2010年471.5萬噸的總產(chǎn)能，其產(chǎn)能增長了約37%，平均每年增長5.3%。隨著各國市場經(jīng)濟的發(fā)展，玻璃纖維在交通、建筑、電子、工業(yè)防護、環(huán)境保護以及國防等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。產(chǎn)業(yè)對玻璃纖維的需求增大，導致玻璃纖維的產(chǎn)能也將增加，預(yù)計在今后的發(fā)展中玻璃纖維產(chǎn)能的增長率將不低于5%。

國外的玻璃纖維制品產(chǎn)量大種類多，若按產(chǎn)品用途不同進行區(qū)分可分成增強瀝青用玻璃纖維制品、增強熱固性塑料用玻璃制品、玻璃纖維紡織品以及增強熱塑性塑料用玻璃纖維制品四個大類［12］。從總體上看，國外玻璃纖維增強制品約占總量的70～75%，紡織玻璃纖維制品僅占總量的25～30%［13］。其中，國外玻璃纖維紡織品花色品種最多，發(fā)展最為迅速，其種類有膨體紗，混紡紗，鋁液過濾紗，浸漬紗，耐熱紗，高強度紗以及工業(yè)用紡織紗;國外玻璃纖維織物有很多種，包括網(wǎng)格織物、多軸向織物、針織物、縫編織物以及普通的機織物［14］。

作為生產(chǎn)玻璃纖維的大國，美國、日本及歐洲國家的玻璃纖維人均消費也很高。在玻璃纖維產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)方面美國、日本及歐洲國家也有著較高的技術(shù)水平。

在美國，玻璃纖維開發(fā)生產(chǎn)方面較為突出的公司有美國PPG公司、美國O.C公司、美國赫氏公司、美國BGF公司、美國DS公司以及美國Johns Manville公司和美國Polystrand公司。

在日本，玻璃纖維開發(fā)生產(chǎn)方面較為突出的公司有日本國日東紡績株式會社、日本尤尼奇卡公司、日本一休貝爾公司。

在玻璃纖維開發(fā)生產(chǎn)方面較為突出的歐洲國家有法國圣戈班集團托特克斯玻纖公司、法國圣戈班技術(shù)織物公司、法國Favier Tpl公司、法國Schappe技術(shù)公司。

2.2 國內(nèi)玻璃行業(yè)的發(fā)展狀況

據(jù)資料顯示，我國玻璃纖維的產(chǎn)量2000年不到世界產(chǎn)量10%，而到了2010年則提高到了54%，我國成為世界最大的玻璃纖維出口和生產(chǎn)大國。。

2007年之前，全球玻璃纖維生產(chǎn)主要集中在歐美地區(qū)。由于近年來國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)能的提高以及國內(nèi)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，目前就玻璃纖維的產(chǎn)能和消費能力來說，我國已經(jīng)躍居世界首位。2005年國內(nèi)玻璃纖維消費量為80萬噸，2010年則達到了335.5萬噸，2005－2010年年均復合增長率達到33.6%。2011年中國共生產(chǎn)玻璃纖維372萬噸，占全球總產(chǎn)量的76%;預(yù)計2012年產(chǎn)量將增長至430萬噸，占全球總產(chǎn)量的81%。2013年，由于國內(nèi)部分玻璃纖維窖的停產(chǎn)維護，同時落后的產(chǎn)能也被淘汰，預(yù)計國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)量將會減少25萬噸左右。但是隨著國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)能的不斷增大，以及經(jīng)濟發(fā)展帶動各領(lǐng)域?qū)ΣＡЮw維的需求不斷增大，預(yù)計2014后年國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)量將逐漸恢復。

國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)業(yè)之所以發(fā)展如此迅速，主要是因為國內(nèi)市場和國際市場需求的增長與擴大。國內(nèi)市場的增長的原因，主要是因為隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)τ诓ＡЮw維材料的需求越來越大，從而帶動了國內(nèi)市場的增長。國際市場的擴大的原因，其一是總需求增長的因素影響，二是因為前期利潤率低而導致的國際企業(yè)退出，國內(nèi)玻璃纖維企業(yè)在國際上有更多的發(fā)展空間。

出口依賴程度較高是國內(nèi)玻璃纖維行業(yè)的特點，占國內(nèi)總產(chǎn)量35%以上玻璃纖維產(chǎn)品出口。2010年出口玻璃纖維達到了120.8萬噸，同比增長23.5%。2011年1－9月，中國玻璃纖維出口量為94.6萬噸，同比增長0.32%，同比增長率出現(xiàn)了明顯的下滑。未來隨著中國國內(nèi)需求的持續(xù)增長，將有望減少對出口的依賴。

國內(nèi)玻璃纖維市場具有較高的集中度，中國玻璃纖維股份有限公司、泰山玻璃纖維有限公司和重慶國際復合材料有限公司掌握了國內(nèi)玻璃纖維市場的大部分產(chǎn)能，這三家企業(yè)，2012年時合計產(chǎn)能占國內(nèi)玻璃纖維總產(chǎn)能的43%，而且仍然有新的產(chǎn)能增加，預(yù)計2015年產(chǎn)能合計能夠達到國內(nèi)玻璃纖維總產(chǎn)能的49%［16］。

表3 2011年中國主要玻纖企業(yè)營業(yè)收入

國內(nèi)玻璃纖維行業(yè)之首是以短切原絲、無捻粗紗和電子級玻璃纖維紗為主的中國玻璃纖維股份有限公司。2010年以來，中國玻璃纖維股份有限公司分別在法國、新加坡、南非、日本、埃及、美國等國家相繼設(shè)立了分公司，以此來減少其他國家的反傾銷政策，同時提高在海外市場的占有份額。

國內(nèi)另一家較大的玻璃纖維企業(yè)是泰山玻璃纖維有限公司。該公司的主要產(chǎn)品是無捻粗紗、電子級玻璃纖維紗。與中國玻璃纖維股份有限公司積極進軍海外市場的發(fā)展方向不同，泰山玻璃纖維有限公司的發(fā)展目標主要放在了國內(nèi)市場上，并且在發(fā)展傳統(tǒng)玻璃纖維行業(yè)的同時積極與國外掌握先進技術(shù)的玻璃纖維企業(yè)進行合作學習，開拓玻璃纖維產(chǎn)品在新興領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用。

3 對于國內(nèi)外玻璃纖維產(chǎn)業(yè)的比較分析

近年來，隨著國內(nèi)玻璃纖維的迅速發(fā)展，我國逐步成為了世界上最大的玻璃纖維生產(chǎn)國，對玻璃的需求量也在逐年增加。國內(nèi)玻璃纖維行業(yè)的產(chǎn)能增長基礎(chǔ)是需求的增加，在滿足國內(nèi)需求的同時進行外銷。

雖然我國玻璃纖維行業(yè)產(chǎn)值非常大，但是在生產(chǎn)技術(shù)方面，我國玻纖企業(yè)生產(chǎn)的都是附加值不高的中低檔產(chǎn)品，而進口的都是大陸玻纖近期內(nèi)無法生產(chǎn)的產(chǎn)品。國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)業(yè)與國外玻璃纖維產(chǎn)業(yè)相比，規(guī)模上仍然存在著差距。另外，國內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)線以及生產(chǎn)設(shè)備，并不具備可以生產(chǎn)出一流玻璃纖維產(chǎn)品的條件。這也導致國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)品的規(guī)格和檔次并不高，這也導致了進口玻璃纖維的價格高于其出口的價格。所以表面上看似我國是玻璃纖維生產(chǎn)大國，可實際上只是產(chǎn)量大，在生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量上卻并不強。

因此，國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)業(yè)想要達到真正的大國、強國水平，首先要研究掌握生產(chǎn)高檔玻璃纖維制品如電子布、電子紗、高品質(zhì)玻璃纖維制品等的生產(chǎn)技術(shù)。其次，加強相關(guān)人才的培養(yǎng)，升級生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備，開發(fā)玻璃纖維更多的應(yīng)用領(lǐng)域，提高玻璃纖維的應(yīng)用效率，使玻璃纖維從生產(chǎn)到應(yīng)用形成一條高質(zhì)量的產(chǎn)業(yè)鏈。

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