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1. 江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201；2. 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330201

1 玻璃纖維

1.1 定義

玻璃纖維主要以天然無機(jī)非金屬礦石為原材料，包括葉蠟石、石英砂、石灰石等，將它們按一定的比例混合，經(jīng)過高溫熔融、拉絲等多道煉制工藝制成。因此，玻璃纖維是一種無機(jī)非金屬材料，其具有很多優(yōu)異的性能，如質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、隔熱性好、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣性能好等，通常被作為增強(qiáng)材料用于復(fù)合材料中，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

1.2 生產(chǎn)方法

玻璃纖維的生產(chǎn)方法主要有兩種——連續(xù)纖維拉絲法及定長纖維拉絲法。其中，連續(xù)纖維拉絲法通常在利用玻璃纖維制作增強(qiáng)復(fù)合材料時用到，該方法又可細(xì)分為坩堝拉絲法和池窯拉絲法兩種。坩堝拉絲法是將精選的石灰石、石英砂、氧化鋁、碳酸鎂等原料碾碎后，按照要求均勻混合調(diào)配好，放入1 500 ℃的玻璃池窯中經(jīng)歷高溫熔融，煉制成玻璃球，再進(jìn)行質(zhì)量檢查，剔除劣質(zhì)玻璃球后，繼續(xù)熔融優(yōu)質(zhì)玻璃球，最后煉制成連續(xù)玻璃纖維的。池窯拉絲法是先確定所需的原料種類，再計(jì)算出這些原料種類的配比，然后將這些原料粉碎，按照計(jì)算好的配比混合均勻，放入1 500 ℃的玻璃池窯中經(jīng)歷高溫熔融，煉制成玻璃后拉絲形成玻璃原絲的?？稍賹⒉Ａгz加捻、整經(jīng)后織造成所需的玻璃纖維布。坩堝拉絲法能耗高，污染環(huán)境。池窯拉絲法相較于坩堝拉絲法，前者能耗降低，且減少了對環(huán)境的污染，所生產(chǎn)出的玻璃纖維性能更穩(wěn)定，因此池窯拉絲法應(yīng)用更加廣泛。

1.3 分類

玻璃纖維的分類方法有很多種：

(1) 根據(jù)生產(chǎn)時選擇的原材料的不同，可將玻璃纖維分為無堿、中堿、高堿及特種玻璃纖維；

(2) 根據(jù)纖維外觀的不同，可將玻璃纖維分為連續(xù)玻璃纖維、定長玻璃纖維、玻璃棉；

(3) 根據(jù)單絲直徑的差異，可將玻璃纖維分為超細(xì)纖維(直徑小于4 μm)、高級纖維(直徑在3～10 μm)、中級纖維(直徑大于20 μm)、粗纖維(直徑在30 μm左右)。

(4) 根據(jù)纖維性能的不同，可將玻璃纖維分為普通玻璃纖維、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿玻璃纖維、耐強(qiáng)酸玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維等。

1.4 性能

化學(xué)性能方面，玻璃纖維耐酸、耐堿、抗紫外線、抗老化，且防蛀、防霉性能好；物理性能方面，玻璃纖維直徑小，密度與鋁相近，吸濕性小，導(dǎo)熱系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性、阻燃性、隔聲性、耐熱性好，電絕緣性能優(yōu)異；力學(xué)性能方面，玻璃纖維高強(qiáng)、高彈、性脆，耐磨性差。

基于上述玻璃纖維在物理、化學(xué)和力學(xué)方面的性能表現(xiàn)，其可用來制作增強(qiáng)材料、隔聲材料、阻燃材料、絕緣材料、過濾材料、光導(dǎo)材料等[1]。

2 玻璃纖維及其制品的應(yīng)用

2.1 玻璃纖維的應(yīng)用

2.1.1 玻璃纖維與碳纖維復(fù)合

由玻璃纖維與碳纖維復(fù)合的摩擦材料，耐磨性非常好，且具有較高的比強(qiáng)度、比模量。之所以將玻璃纖維和碳纖維復(fù)合制作摩擦材料，是因?yàn)椴ＡЮw維具有高拉伸強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能，利用玻璃纖維可提升玻璃纖維/碳纖維復(fù)合摩擦材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能。此外，碳纖維優(yōu)異的熱膨脹系數(shù)等特性還可提升摩擦材料的硬度。因此，將玻璃纖維和碳纖維合理地結(jié)合起來，可制造出性能優(yōu)良的摩擦材料(圖1)。且當(dāng)碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%、玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%時，摩擦材料的摩擦性能達(dá)到最佳[2]。這種摩擦材料可廣泛應(yīng)用于汽車輪胎等需忍受長時間、高強(qiáng)度摩擦的部件上。

圖1 汽車剎車片用增強(qiáng)材料——玻璃纖維

2.1.2 玻璃纖維與鋁合金復(fù)合

玻璃纖維-鋁合金層疊板(圖2)是一種由玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鋁合金組成的混雜結(jié)構(gòu)材料[3]。該材料利用了鋁合金優(yōu)異的加工性、抗沖擊性和玻璃纖維的高強(qiáng)度、耐疲勞特性，彼此取長補(bǔ)短、互相結(jié)合，產(chǎn)品具有防火、防雷擊、隔聲效果好、耐腐蝕、抗疲勞性能優(yōu)異等特性。該材料可用作飛機(jī)的疲勞結(jié)構(gòu)機(jī)件，是一種新型的航空結(jié)構(gòu)材料。

圖2 玻璃纖維-鋁合金層疊板

2.1.3 玻璃纖維與磷酸鎂水泥復(fù)合

將玻璃纖維與磷酸鎂水泥復(fù)合可改善磷酸鎂水泥的韌性[4]，且這種水泥具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的阻燃性能，可用作建筑材料。當(dāng)玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)為2.5%時[5]，可以極大程度地提高磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度。普通的磷酸鎂水泥被浸濕后，其對路面的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度會減弱，而將體積分?jǐn)?shù)為2.5%的玻璃纖維與磷酸鎂水泥復(fù)合后，可以有效地防止這種減弱。

2.1.4 玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

利用樹脂作為基體材料、玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，可得到一種強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、電絕緣性能優(yōu)異且質(zhì)量輕[6]的新型材料，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于體育用品、航空航天、汽車、輸電線路建設(shè)等領(lǐng)域。例如：航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機(jī)殼體與風(fēng)扇(圖3)、熱防護(hù)材料、飛機(jī)副翼、方向舵等；汽車領(lǐng)域的汽車座椅、保險(xiǎn)杠、車內(nèi)頂、發(fā)動機(jī)罩、擋泥板等；體育用品領(lǐng)域的網(wǎng)球拍、羽毛球拍、滑雪板等[7]。

圖3 發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇

2.1.5 玻璃棉

玻璃棉的體積密度很小，易成形且保形性好，具有良好的保溫性、透氣性，可蓄熱、隔熱，此外還具有良好的隔聲功能，耐用性好?；瘜W(xué)性能方面，玻璃棉防霉防蛀性能好，耐腐蝕，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。力學(xué)性能方面，玻璃棉結(jié)構(gòu)牢固，抗拉抗震性能好?；诖耍Ａ薇粡V泛用作保溫、隔熱、隔聲等材料[8]。

2.1.6 玻璃纖維紙

玻璃纖維紙阻燃性好、隔聲效果好、保溫性好、過濾能力強(qiáng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于建筑、航海、航天航空等領(lǐng)域[9]。其中，當(dāng)玻璃纖維紙中玻璃纖維質(zhì)量比為粗纖維∶細(xì)纖維=1∶1時，其保溫、隔聲性能最好[10]。

2.1.7 玻璃纖維布

玻璃纖維布防紫外線性能好、絕緣性能好、強(qiáng)度高、耐高溫、表面整潔光亮、不易黏上污物，且耐氣候性能與耐腐蝕性能好，化學(xué)性能穩(wěn)定。

將玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂膠黏劑結(jié)合，可用作黏接修復(fù)PVC-U管道的修復(fù)材料?！安ＡЮw維/PVDF”鋰離子電池復(fù)合膜綜合了玻璃纖維布的高強(qiáng)、耐腐蝕和PVDF膜小孔隙的特性，有效提高了鋰離子的傳導(dǎo)、增大了放電比容量，滿足了動力電池的快速充放電需求[11]。

此外，玻璃纖維布因具有質(zhì)量很小、耐化學(xué)腐蝕性能好、耐摩擦性能好、高強(qiáng)高模等特性，可用于加固混凝土，提高混凝土材料的凝聚力，使建筑物更耐用。

2.1.8 玻璃纖維薄氈

玻璃纖維薄氈具有尺寸穩(wěn)定性良好、抗撕拉性能好、吸聲性能優(yōu)異、阻燃性好、耐化學(xué)腐蝕性好、耐氣候性能好、耐高溫性能好、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性，可用作建筑屋面用的增強(qiáng)材料，隔聲、防火的天花板，地板革的芯材，延長路面壽命的鋪路氈，絕熱、隔聲的汽車頂襯等。

以玻璃纖維布和玻璃纖維薄氈等為增強(qiáng)材料、以PVC 樹脂為基體，可制作出預(yù)成型標(biāo)線材料[12]。這種材料具有極好的延伸性、柔韌性、耐磨性、耐水性、耐氣候性等，可應(yīng)對變幻多端的氣候。且這種材料能夠很好地與地面黏結(jié)，可長時間地保留在路面上，使用壽命長，能有效提高道路建設(shè)的工作效率。

2.2 玻璃鋼的應(yīng)用

2.2.1 玻璃鋼的基本性能

玻璃鋼制品物理性能好，如表面光滑、質(zhì)量小、耐高溫、防水性好、熱傳導(dǎo)系數(shù)低、絕緣性好等；力學(xué)性能優(yōu)良，如耐壓、強(qiáng)度高等；化學(xué)性能穩(wěn)定，如耐腐蝕性好、抗老化性好等?；诓Ａт摼哂兄T多優(yōu)良性質(zhì)且耐用、制作工藝簡易、對環(huán)境不會造成嚴(yán)重的污染，其產(chǎn)品被廣泛用作電絕緣材料、儲存材料、保溫材料等。

2.2.2 玻璃鋼用作濕法煙氣脫硫裝置材料

玻璃鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，具有耐超高溫、絕緣性好、防水、耐化學(xué)腐蝕、力學(xué)性能好等特性，可用作濕法煙氣脫硫裝置材料[13]。脫硫過程對設(shè)備用材料要求極高，最基本的要求就是耐腐蝕、耐超高溫、耐急驟降溫等。過去，脫硫裝置用的材料是高鎳合金，這種材料價(jià)格非常昂貴，故應(yīng)用受限[14]。玻璃鋼不僅能滿足脫硫過程中的條件要求，而且價(jià)格較便宜，還能防止因高溫?zé)嵴鹪斐傻臒崞茐暮头謱?，脫硫效果更好，且利用率高、材料性質(zhì)穩(wěn)定、使用壽命長。

總之，在脫硫裝置材料的選擇上，玻璃鋼的性價(jià)比更高。例如，利用酚醛環(huán)氧型乙烯基樹脂制作的玻璃鋼，即使在200 ℃的高溫?zé)嵴鹣拢材苡行У胤乐篃崞茐呐c分層，抗震性能極高。

2.2.3 玻璃鋼儲罐

玻璃鋼儲罐化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與儲罐內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不易被腐蝕，可儲存各種化學(xué)物質(zhì)，性能遠(yuǎn)優(yōu)于金屬儲罐。玻璃鋼的密度大約是鐵的1/4，所以玻璃鋼儲罐的質(zhì)量遠(yuǎn)小于同規(guī)格鋼儲罐的質(zhì)量，這極大程度地提高了玻璃鋼儲罐的運(yùn)輸效率。玻璃鋼儲罐導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3 W/(cm·℃)，約是鋼儲罐導(dǎo)熱系數(shù)的1/233，所以玻璃鋼儲罐的保溫性能優(yōu)異。玻璃鋼儲罐內(nèi)壁整潔、光滑，不易沾黏污物，日常清潔方便，這極大程度地方便了玻璃鋼儲罐的日常使用。玻璃鋼儲罐的電絕緣性能優(yōu)異，電阻約為1 000 Ω·cm，可投放在雷電多發(fā)區(qū)使用。玻璃鋼儲罐的使用壽命大約是金屬儲罐使用壽命的10倍，使用過程中維修保養(yǎng)方便?？傊?，與金屬儲罐相比，玻璃鋼儲罐性價(jià)比更高，使用更廣泛，有逐漸取代金屬儲罐之勢，其中油田用玻璃鋼儲罐更是被廣泛使用[15]。

2.3 鈉鈣玻璃基板

電子設(shè)備一直在朝著運(yùn)行高速化、質(zhì)量輕薄化、形狀扁平化的方向發(fā)展，信息的傳輸速度和傳輸量在不斷增加。鈉鈣玻璃基板(圖4)專為觸摸屏而設(shè)計(jì)，其厚度僅為2.8 cm，很薄、很輕，可應(yīng)用到平板電腦、智能手機(jī)等電子設(shè)備上，大幅縮減了電子設(shè)備的質(zhì)量和體積[16]。

圖4 鈉鈣玻璃基板

3 結(jié)語

近年來，人們對玻璃纖維的需求量越來越大，玻璃纖維的發(fā)展也越來越快。2012年我國玻璃纖維行業(yè)銷售收入為1 060億元，2016年上升至1 725億元，2012—2016年復(fù)合增長率達(dá)12.95%。2016年玻璃纖維總產(chǎn)量達(dá)到362萬t，其中池窯紗的產(chǎn)量達(dá)340萬t，約占總產(chǎn)量的94%，可見池窯拉絲法應(yīng)用廣泛[17]。玻璃纖維主要應(yīng)用于建筑、電子電氣、交通運(yùn)輸、管道、過濾除塵、海洋工程、航天航空、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，其中在建筑、電子電氣、交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用已超過70%。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國玻璃纖維的產(chǎn)值現(xiàn)已居全球首位，但我國生產(chǎn)的玻璃纖維制品的品質(zhì)與一些發(fā)達(dá)國家相比，還是有一定的差距的。今后，可通過提高玻璃纖維的生產(chǎn)水平、實(shí)現(xiàn)玻璃纖維生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級、加大新型玻璃纖維研發(fā)投入力度、掌握高端技術(shù)、培養(yǎng)專業(yè)人才、提升生產(chǎn)設(shè)備、精簡工藝流程、提高產(chǎn)業(yè)效率、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域等措施，提升我國玻璃纖維制品的品質(zhì)和性能，早日使我國成為玻璃纖維的生產(chǎn)強(qiáng)國。