Transcript 8 玻璃纤维2
7 玻璃纤维-2 本节主要内容 7.4 玻璃纤维及其制品 玻璃纤维及其制品的生产工艺 7.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能 7.4.1 7.5 玻璃纤维的表面处理 浸润剂 7.5.2 玻璃纤维表面处理剂 7.5.3 玻璃纤维表面处理方法 7.5.1 7.6 特种玻璃纤维 高强度玻璃纤维 7.6.2 高模量玻璃纤维 7.6.3 高硅氧纤维和石英纤维 7.6.4 空心玻璃纤维 7.6.1 7.4 玻璃纤维及其制品 7.4.1 玻璃纤维及其制品的生 产工艺 7.4.1.1 玻璃纤维的生产工艺 坩埚法拉丝、池窑漏板法拉丝 (1) 坩埚法拉丝工艺 生产工艺由制球和拉丝 两部分组成 整个拉丝过程中加球和 拉丝温度控制是由自动 控制装置来完成的 1—加料孔；2—铂针；3—坩埚； 4—电极板；5—玻璃液；6—漏板； 7—玻璃纤维单丝；8—集束轮； 9—玻璃纤维原纱；10—拉丝卷筒 (2) 池窑漏板法拉丝工艺 连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方法。 将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的 连续玻璃纤维。 池窑拉丝(与坩埚拉丝相比较)的优点： 1. 省去制球工艺，简化工艺流程，效率高； 2. 池窑拉丝一窑可安装10块到上百块漏板，熔量大， 生产能力高； 3. 易实现自动化； 4. 适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维； 5. 生产的废纱便于回炉。 7.4.1.2 玻璃纤维制品的生产工艺 主要设备：纺纱机和织布机 连续玻璃纤维毡生产示意图 1—电熔池窑炉；2—漏板；3—加浸润剂；4—机械装置； 5—喷射粘接剂；6—金属网带；7—固化装置；8—卷筒 7.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能 玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。 无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、 络纱制成 有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加 捻、并股、络纱而制成。 根据纤维直径、支数及股数不同，无捻纱和有 捻纱的规格有许多种。 捻度 单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻／m为单位 Z捻(左捻)，顺时针方向加捻； S捻(右捻)，逆时针方向加捻。 加捻的作用： 提高纤维的抱合力 改善单纤维的受力状况， 利于纺织工序的进行。 缺点： 捻度过大不易被树脂浸透。 无捻粗纱的用处 无捻粗纱中的纤维是平行排列的，拉伸强度 很高，易被树脂浸透，故无捻粗纱多用于缠绕高 压容器及管道等，同时也用于拉挤成型、喷射成 型等工艺中。 纤维支数有两种表示方法： (1) 定质量法 用质量为1g的原纱的长度来表示，即： 纤维长度（通常用100m测量） 纤维支数＝ 纤维质量（100m原纱克质量数） 40支纱 质量为1g的原纱长40m。 (2) 定长法 目前国际上统一使用的方法，通称“TEX”(公制号数)。 1000m长的原纱的克质量。 4“TEX” 1000m原纱质量为4g。 玻璃纤维及玻璃纤维制品 1、无捻粗纱 2、无碱布 3、短切玻璃纤维 4、无捻方格布 5、玻璃纤维耐碱网布 6、膨体纱与膨体布 7、拉挤纱 8、缠绕纱 9、喷射纱 …………. 1、无捻粗纱 无捻粗纱是由平行原 丝或平行单丝集束而 成。无捻粗纱是加工方 格布、网格布的基本原 料，是玻璃钢基材最基 本的原材料。 种类 喷射用无捻粗纱，缠绕型无捻粗纱，拉挤用无捻粗纱及织 造用无捻粗纱等，用途十分广泛。 2、无碱布 无碱布是用无碱玻纤 纱织造而成，具有优异的 电气绝缘性、力学性能、 耐热性及抗吸湿性 。主要 用于生产各种电绝缘层压 板、印刷线路板、各种车 辆车体、贮罐、船艇、模 具等 无碱布还适合用作玻璃 漆布，玻璃布层压制品与 覆铜箔层压的基材 ，以及 玻璃云母制品等的补强材 料。 3、短切玻璃纤维 短切玻璃纤维，适应于各种不同的用途。采用适当 的浸润剂和集束数，切成不同长度的玻璃纤维，在热固 性，热塑性树脂增强材料中获得广泛的应用。 4、无捻方格布 以无捻粗纱织成的方格布 ，广泛应用于手糊玻璃钢 (FRP)产品领域。 5、玻璃纤维耐碱网布 玻璃纤维耐碱网布是 以中碱或无碱玻璃纤维织 物为基础，经耐碱涂层处 理而成。该产品强度高、 粘结性好、服贴性、定位 性极佳，广泛应用于墙体 增强，外墙保温，屋面防 水等方面，还可应用于水 泥、塑料、沥青、大理石、 马赛克等墙体材料的增强， 是建筑行业理想的工程材 料。 6、膨体纱与膨体布 膨体纱由玻璃纤维 纱经过高压空气装置 ， 特殊膨化而成，该产品 兼有连续长纤维的高强 度，又有短切纤维的蓬 松性，具有耐高温、耐 腐蚀、高过滤效果、高 强度等特点，被广泛应 用于过滤布 、装饰布、 绝缘织物等 ，是石棉制 品理想的替代材料 ，在 环保工业方面应用广泛。 膨体布是由 膨体纱制造而成， 具有透气性好， 容尘量大、过滤 效率高等特点。 主要用于钢铁、 水泥、发电等行 业的高温袋过滤 器；包装材料； 装饰材料等。 7、拉挤纱 具有良好的耐磨性、 柔软成性好、纤维光滑毛 纱少、与苯乙烯有极好的 相溶性，浸透速度非常快 。 通过拉挤成型与聚酯或环 氧树脂结合成高强度的玻 璃钢制品。 品名 产品 代号 挤 拉 纱 产 品 特 性 ： 浸润剂 类型 含水率 ％ 选用 树脂 卷装量 (Kg) 无碱拉 挤纱 ERL1200 硅烷类 ＜0.18 聚酯或 环氧 20±0.5 无碱拉 挤纱 ERL2400 硅烷类 ＜0.18 聚酯或 环氧 20±0.5 中碱拉 挤纱 CRL1200 硅烷类 ＜0.2 聚酯或 环氧 20±0.5 中碱拉 挤纱 CRL2400 硅烷类 ＜0.2 聚酯或 环氧 20±0.5 8、缠绕纱 具有较好的成带性、柔软、纤维光滑、与苯乙 烯有很好的相溶性、浸透速度快。制成的玻璃钢耐 水性好。通过管道缠绕成型与聚酯或环氧树脂结合 成高强度的玻璃钢制品。 品名 产品 代号 浸润剂 类型 含水率 ％ 选用 树脂 卷装量 (Kg) 无碱缠 绕纱 ERC1200 硅烷类 ＜0.18 聚酯或 环氧 20±0.5 无碱缠 绕纱 ERC2400 硅烷类 ＜0.18 聚酯或 环氧 20±0.5 中碱缠 绕纱 CRC2400 硅烷类 ＜0.2 聚酯或 环氧 20±0.5 9、喷射纱 具有较好的短切性 能、无静电、与苯乙烯 有良好的相溶性、浸透 速度较快。通过连续喷 射法与聚酯或环氧树脂 结合成高强度的玻璃钢 制品。 10、玻璃纤维套管 玻璃纤维套管是 由无碱纱编织而成， 用于电视、仪表、无 线电、电视机、电扇 及其他家用电器上。 应用玻璃纤维套管的 电线和电缆能提供良 好的性能和可靠的绝 缘。 11、短切毡 把玻璃纤维短切成约50mm长，然后均匀沉降在 成型带上，并敷上特种粘结剂形成短切毡，它具有 各向同性与树脂结合良好的亲和性，脱泡性、易成 型等特点，广泛使用于手糊玻璃钢(FRP)及玻纤层压 板材上。 12、连续原丝毡 连续原丝毡是新型玻纤无纺增强材料，广泛 用于高质量玻璃钢的模压和拉挤成型工艺。该技 术以玻璃纤维原丝为原料，经机械铺叠制成高强 度无纺毡，产品规格为225～900克/平方米 13、玻璃纤维方格布 玻璃纤维方格布具有高强、耐腐、绝缘等特点。是制造 玻璃钢制品基布。广泛应用于仪表、无线电贮槽建筑构件、 制造游艇、汽车车体、透明玻璃钢及手糊玻璃钢工艺上。 14、无碱纤维带 无碱玻璃纤维带是电机及电器的良好的包扎绝缘材料， 也是玻璃钢(FRP)用基材。 7.5 玻璃纤维的表面处理 单丝处理(浸润剂) 纤维织物的表面处理(中间粘合剂) 7.5.1 浸润剂 在拉丝工艺中，当玻璃液从漏板拉出单丝以后， 要经过浸润槽把浸润剂涂敷在玻璃纤维表面上。 可分为纺织型浸润剂和增强型浸润剂。 1.浸润剂的作用 玻璃纤维突出的弱点 较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝和纺织过 程中，纤维就难免出现断裂现象，而且刚拉出的纤维容易受到 空气中水蒸汽的侵蚀，使其强度下降。 浸润剂的作用： 使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉 伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。 2. 浸润剂的种类 (1) 纺织型浸润剂 (2) 增强型浸润剂 (1) 纺织型浸润剂 主要是满足纺织工序的要求。 使用该类浸润剂的玻璃纤维和织物作为玻璃钢的增强材科 淀粉为主要的成膜剂优 时，事先必须对纤维和织物进行表面处理。因为浸润剂中含石 点：费用低、成膜性好、 易除掉 蜡和油剂，影响与树脂的粘结。 淀粉浸润剂 纺织型浸润剂 石蜡乳剂 主要成分：石蜡、凡士林、 硬脂酸、变压器油等 优点：润滑性、集束性好 (2)增强型浸润剂 由中间粘合剂、润滑剂、乳化剂等组分，配成拉丝用的 浸润剂，在拉丝过程中直接被覆于玻璃纤维表面。增强型浸 润剂在一定程度上能满足拉丝工艺要求，而且对纤维与树脂 粘结影响不大。因此，在玻璃钢成型时不必除去，可直接使 用。在选用玻璃纤维及其织物时。必须根据树脂类型考虑采 用何种浸润剂。 7.5.2 玻璃纤维表面处理剂 1. 表面处理的意义 表面处理：在玻璃纤维表面被覆一种 叫做表面处理剂的特殊物质，使玻璃纤维 与合成树脂牢固地粘结在一起，以达到提 高玻璃钢性能的目的。 作用： 表面处理剂处于玻璃纤维与合成树脂之间而使 这两种性质不同的材料牢固地连接在一起。 玻璃纤维及织物经过适当的表面处理后，不仅 改进了玻璃纤维的耐磨、防水、电磁绝缘等性能， 而且对玻璃钢的强度，特别是湿态下的强度提高有 显著的效果。 处理剂对聚酯玻璃钢自然曝晒 后强度的影响 1—沃兰处理；2-A-151处理； 3—A-172处理；4—未处理 处理剂对聚酯玻璃钢人工气候 老化强度的影响 1—沃兰处理；2-A-151处理； 3—A-172处理；4—未处理 玻璃纤维未经处理剂处理而制作的玻璃钢，因 老化而强度下降严重；经处理的强度下降缓慢，且 有更高的强度保留值。 处理剂对聚酯玻璃钢海水浸泡 后强度的影响 1—沃兰处理；2-A-151处理； 3—A-172处理；4—未处理 处理剂对玻璃钢海水浸泡后强度也有明显的影响。玻璃 钢经处理的比末处理的原始强度只提高0.5倍左右，而经海水 浸泡1年后强度保留率却高1倍以上。其中以沃兰处理的效果 更好，在经1-3年的浸泡后，竞比未处理的高近2倍或更多。 处理剂对玻璃钢的耐化学腐蚀性能的影响 也很大。如将玻璃钢试样浸在酸碱液中，通过 观察表面树脂脱落布纹显露的情况证明，未经 处理的树脂脱落严重，凡经过处理的效果均好， 特别是经KH—550前处理的效果更为明显。 表面处理剂在玻璃钢中的独特作用 它既能与玻璃相连，又能与树脂作用； 既保护了玻璃纤维表面，又大大地增强了玻璃与树脂 界面的粘结，防止水分或其他有害介质的侵入，减少或消除 界面的弱点，改善了界面状态，有效地传递了应力，使玻璃 钢这种复合材料的多种材料间能形成一个牢固的整体。 结果： 长期耐候性、耐水性、耐化学腐蚀性能均有大幅度改善； 机械强度有成倍的提高； 耐热性和电性能也有很大改善。 界面理论 偶联理论 化学处理膜理论 物理吸附理论 ……… 偶联理论 偶联剂是一种高分子化合物，这种化合物一般都含有两 部分性质不同的基团。一种官能团能很好与玻璃纤维表面结 合；另一种官能团能很好与合成树脂结合(产生共聚)。通过表 面处理剂把两种性能截然不同的物质联合起来，形成一个统 一的整体。因此，把表面处理剂叫“架桥剂”，也叫“偶联 剂”。这种中间连接作用叫架桥作用或偶联作用。 3. 玻璃纤维表面处理剂的种类 有机铬 有机硅 钛酸酯 有机铬处理剂中最有名的属“沃兰(Vo1an)”，它的 化学名称叫做甲基丙烯酸氯化铬络合物物。 CH3 O CrCl2 CH C CH3 OH O CrCl2 有机硅处理剂：结构通式为RnSiX4-n。。 R是有机基团，含有能与合成树脂作用形成化学 键的活性基团。如；不饱和双键 、环氧基团、氨 基-NH2、巯基-SH等。X是易于水解的基团，水解 后能与玻璃作用。n 为1、2或3，绝大多数为1 CH CH2 CH CH2 O 常用玻璃纤维表面处理剂 牌号 国内 沃兰 国外 Volan A-151 KH550 KH560 化学名称 A-1100 AYM-9 结构式 适用范围 热固性 CH3 O CrCl2 酚醛 甲基丙烯 聚酯 酸氯化铬 CH C OH 盐 CH3 O CrCl2 环氧 聚酯 乙烯基三 H5)3 乙氧基硅 CH2 CHSi(OC2硅树脂 烷 聚酰亚胺 γ-胺基丙 基三乙氧 基硅烷 A-187 γ-缩水甘 Y-4087 油醚丙基 Z-6040 三甲氧基 KBM-403 硅烷 热塑性 聚乙烯 聚甲基丙 烯酸甲酯 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 PVC聚碳 环氧 酸酯 酚醛 尼龙 H2N(CH2)3Si(OC2H5)3 三聚氰胺 聚乙烯 聚丙烯 聚酯、环 聚碳酸酯 CH2 CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3 尼龙 氧、酚醛、 聚苯乙烯 O 三聚氰胺 聚丙烯 牌号 国内 化学名称 结构式 国外 热固性 γ-甲基丙 A-174 烯酸丙基 CH2 C C O Z-6030 三甲氧基 CH3 KBM-503 硅烷 O KH570 南大-42 A-172 KH-580 适用范围 热塑性 聚苯乙烯 聚甲基丙 (CH聚酯 2)3Si(OCH 3)3 烯酸甲酯 环氧 聚乙烯 聚丙烯 苯胺甲基 环氧 尼龙 NHCH2Si(OC 三乙氧基 酚醛2H5)3 硅烷 乙烯基三 聚酯OCH聚丙烯 CH CHSi(OC H 2 2 4 3)3 (β-甲氧乙 环氧 氧基)硅烷 PVC 环氧 γ-巯基丙基 聚苯乙烯 HS(CH2)3Si(OC2H酚醛 5)3 三乙氧基 聚胺酯 硅烷 牌号 国内 国外 A-189 Z-6060 Y-5712 化学名称 结构式 适用范围 热固性 热塑性 γ-巯基丙 聚苯乙烯 3 基三甲氧 HS(CH2)3Si(OCH3)大部分 KH-590 都适用 基硅烷 酚醛) Si(OC H ) 二乙烯三 B201 H2NC2H4NHC2H4NH(CH 2 3 2 5 3 三聚氰胺 尼龙 胺基丙基 聚碳酸酯 三乙氧基 硅烷 β-(3, 4-环 环氧 A-186 氧环己基) O 聚酯 Y-4086 CH2CH酚醛 KBM-303 乙基三甲 2Si(OCH3)3 氧基硅烷 三聚氰胺 A-1120 γ-(乙二胺 环氧 尼龙 Z-6020 基)丙基 酚醛 聚乙烯 )3 X-6030 三甲氧基 NH2CH2CH2NH(CH 三聚氰胺 2)3Si(OCH3聚丙烯 BBM-603 硅烷 7.5.3 玻璃纤维表面处理方法 后处理法 前处理法 迁移法。 1. 后处理法 凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在 用于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理。 分两步进行：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂， 然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维 表面被覆上一层处理剂。 特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较 大，玻璃纤维强度损失大．但处理效果好，比较稳定．是 目前国内外最常使用的处理方法。 2. 前处理法 适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退 并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维 的浸润和粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中。 与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及 设备，使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强 度损失。 缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序 的要求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是 一个比较复杂的技术问题，目前尚需进一步研究。 3. 迁移法 迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中 进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤 维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移” 作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程 中产生偶联作用。 7.6 特种玻璃纤维 7.6.1 高强度玻璃纤维 镁铝硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃两个系统。 镁铝硅酸盐玻璃的主要成分为(质量％)：SiO2 ：65％， Al2O3 ： 25 ％ ， MgO10 ％ 。 拉 丝 成 型 温 度 需 要 1500 度 以 上．拉丝工艺特殊，成本也比较高。 实际生产的高强度玻璃纤维(称为S玻璃纤维)．是对上 述成分略加调整(引入了6.5％~10％的Na2O和2.5％的Sb2O3)， 以降低玻璃的熔制和拉丝成型温度．并加入了3％~6％的 CaO，以提高其弹性模量。 硼硅酸盐高强玻璃纤维的主要成分为(质量％)： SiO2 40%~50%，Al2O319%~29%，B2O l0％~20 ％，Li2O 0.1%~1％。 硼硅酸盐系统玻璃纤维的强度比E玻璃纤维虽 只提高36％，但拉丝温度降低，用一般铂金坩埚 即可拉丝。 7.6.2 高模量玻璃纤维 氧化铍具有大幅度提高玻璃纤维弹性模量的效能。高弹 玻璃纤维分为含铍与不含铍的两种。 含铍的高弹玻璃纤维，如美国的YM—3A玻璃(M玻璃) SiO2 CaO MgO BeO 58.7 12.7 9.0 8.0 ZrO2 TiO2 Li2O 2.0 7.9 3.0 CaO Fe2O3 3.0 0.5 氧化铍有剧毒 在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬、钍、钽、铌等氧化 物，也可以提高玻璃的弹性模量。其纤维的弹性模量高达 12×104MPa，但拉丝成型较困难。 7.6.3 高硅氧纤维和石英纤维 高硅氧纤维的生产：将高钙的硼硅酸盐玻璃纤维用酸处理， 溶析出可溶性成分，从而制得含SiO2高达90％~99％的纤维。也 可用含碱纤维的化学提纯法制得。 这种纤维能耐1700 ℃以上高 温，但纤维强度低，只为无碱玻璃纤维的20％~50％。 石英纤维的生产：直接用高纯度的石英棒喂送到高温区熔 化拉丝。一般在2000~2100℃下拉制，SiO2含量可达99％以上， 可耐1700 ℃以上的高温，强度也比较高，弹性模量与无碱纤维 相当，但纤维较脆，易磨损。石英纤维的直径视拉丝工艺不同 而异，一般在10~100μm之间。 7.6.4 空心玻璃纤维 采用铝硼硅酸盐玻璃成分，用特制坩埚拉制而成的。坩 埚有50孔与102孔两种。纤维的空心率为10%~65％，外径为 10~17μ m。 此种纤维质量轻，介电常数低，但较脆。一般以20股无 捻粗纱形式使用，主要用于宇航及水下设备中。 作业 1. 为什么玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高？ 2. 影响玻璃纤维强度的因素有哪些？如何影响？解释原因。 作业 1.为何玻璃纤维要使用浸润剂？ 2. 玻璃纤维表面处理方法有哪些？各有什么特点。