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玻璃纤维及其复合材料的应用进展

作者:马明明;张彦 来源:本站 浏览数:5164 发布时间:2016-6-20 14:45:32

  玻璃纤维是玻璃经高温熔融被拉制或以离心力甩成的微米级纤维状材料,主要成分为二氧化硅、氧化钙、氧化铝、氧化镁、氧化硼、氧化钠等。玻璃纤维成分种类有8种,即E-玻璃纤维、C-玻璃纤维、A-玻璃纤维、D-玻璃纤维、S-玻璃纤维、M-玻璃纤维、AR-玻璃纤维、E-CR玻璃纤维。E-玻璃纤维也称无碱玻璃纤维,机械强度高,具有良好的耐热性、耐水性和电绝缘性,常用作电器绝缘材料,也用于生产玻璃钢用增强材料,但耐酸性差,易被无机酸腐蚀。C-玻璃纤维的化学稳定性高,耐酸性、耐水性均优于无碱玻璃纤维,但机械强度低于E玻璃纤维,电气性能差,用于耐酸过滤材料,也可用于耐化学腐蚀的玻璃纤维增强材料中。A-玻璃纤维是一类钠硅酸盐玻璃纤维,其耐酸性好,但耐水性差,可制成薄毡、编织管道包扎布等。D-玻璃纤维,也称低介电玻璃纤维,主要由高硼高硅玻璃组成,其介电常数小、低介质损耗低,被用作雷达罩增强基材、印刷电路板基材等。S-玻璃纤维和M-玻璃纤维因高强度、高模量、抗疲劳性好、耐高温等特性,被广泛应用于航空、军工、环境等领域。AR-玻璃纤维耐碱溶液侵蚀,强度高、抗冲击性能好,用作增强水泥。E-CR玻璃纤维是无碱玻璃的一种,但不含B2O3,耐水性、耐酸性高于E玻璃,耐热性、电绝缘性也明显提高,被应用于地下管道等材料。

    玻璃纤维虽然具有良好的耐热性和化学稳定性,抗拉强度大、弹性摸量高、电介质常数低、导热系数小,耐冲击、耐腐蚀和耐疲劳性能好,功能可设计性强。但脆性大,耐磨性差、柔软性差,因此需要对玻璃纤维进行改性处理,与其他相关材料复合,以满足航空、建筑、环境等领域的需求。

1玻璃纤维的应用领域

1.1玻璃纤维在航空航天领域的应用

1.1.1航空用高性能玻璃纤维

    高强度玻璃纤维主要有S级的SiO2-Al2O3-MgO系统和R级的SiO2-Al2O3-CaO-MgO系统,其SiO2+Al2O3含量达80%以上,石英玻璃纤维二氧化硅含量达99.9%以上。高性能玻璃纤维及其增强复合材料由于其良好的力学性能、耐腐蚀性和透波介电性等,被应用于直升飞机的浆叶、方向舵、雷达罩、各类仪表盘、飞机的内饰材料、热防护材料及固体发动机壳体等。如在空中客机A380上,S-2玻璃纤维增强GLARE层板应用于飞机机身、地板等部。还可作为阻尼减振材料、隔音材料用于飞机消音板和飞机座舱、高温管道等。

1.1.2宇航服用玻璃纤维材料

    超细玻璃纤维是一种单丝公称直径为3.54μm的玻璃纤维,具有高的拉伸强度、良好的柔软性和耐折性,可制作宇航服的反射绝缘层和外防火层等。

1.2玻璃纤维在建筑材料领域的应用

1.2.1玻璃纤维增强水泥

    玻璃纤维增强水泥是以玻璃纤维为增强材料,以水泥净浆或水泥砂浆为基体材料复合而成的。它改善了传统水泥混凝土密度大、抗裂性差、抗弯强度和抗拉强度低等缺陷,具有重量轻、强度高、抗裂性好、耐火性优、抗冻性高、可加工性好等优点,应用于建筑、土木、市政、水利工程等。但普通硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2会对玻璃纤维产生侵蚀。为了控制玻璃纤维被腐蚀,开发出一种低碱度环境的基体,生产的玻璃纤维增强磷酸镁水泥复合材料,通常作为修补材料被广泛应用于道路、桥梁、机场跑道等;玻璃纤维增强氯氧镁水泥,通常被应用于屋面、墙体、活动板房等。

1.2.2玻璃钢

    玻璃纤维增强复合材料,也称玻璃钢,是以玻璃纤维为增强材料,树脂为基体材料形成的。具有轻质高强、耐腐蚀性能优越、可设计性强、隔音性能好等特性,在建筑节能方面日益受到人们的青睐。玻璃钢管道应用于给排水,与以往所用的金属管、钢筋混凝土管等其他管道相比,耐腐蚀性好、寿命长、耐热性好,生产安装费用低,输送介质阻力小,可节能降耗;因其导热系数小、线膨胀系数小、密封性能好而成为建筑门窗的绿色环保产品,节能效果显著,弥补了传统塑钢门窗低强度、易变形的缺陷。既具传统铝合金和塑钢等门窗坚固、耐腐蚀、节能保温等特点,又有自身特有的隔音好、耐老化、尺寸稳定等优点;另外,玻璃钢作为建筑节能材料,也用于制造玻璃钢地板、通风厨、活动板房、井盖、冷却塔等。

1.2.3建筑防水材料

    将短切玻璃纤维湿法成型,通过浸渍高分子粘结剂,经高温干燥固化制成玻纤胎,可作为建筑防水材料。因其具有良好的尺寸稳定性、防水性、耐腐蚀性、耐老化、耐紫外线等特性,主要作为防水卷材的胎体、玻纤胎沥青瓦、防水涂料等,用于建筑防水工程,防止水对建筑的侵蚀。

1.2.4建筑膜结构材料

    以玻璃纤维为增强材料,经过后整理工艺处理,在表面涂覆高性能树脂材料形成的复合材料。常用的建筑膜材主要有:聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯(PVC)膜材、乙烯-四氟乙烯(ETFE)膜材等,因其轻质耐用、可防污自洁、透光节能、隔音防火等优点,应用于体育场馆、展览会场、机场大厅、娱乐中心、购物场、停车场等建筑。例如,上海万人体育馆、上海世博会、广州亚运会等均采用了PTFE膜材;“鸟巢”采用了PTFE+ETFE结构,外层ETFE起防护作用,内层PTFE起保温隔音效果;“水立方”则采用了双层ETFE

1.3在军事工程方面的应用

    玻璃纤维及其复合材料可用于导弹的外壳或其发动机的壳体;可制成导弹弹翼筒和炮弹引信等,也可制成玻璃钢头盔;还可用于制造排爆套服等军用物件。例如导弹“民兵”的发动机壳体应用S玻璃纤维,军事飞行器的雷达罩应用石英玻璃纤维,军用帐篷应用超细玻璃纤维等;另外,还可作为防弹防爆装甲材料和护甲。

1.4玻璃纤维及其织物表面涂覆

    玻璃纤维及其织物表面通过涂覆PTFE、硅橡胶、蛭石等改性处理可以改善和提升玻璃纤维及其织物的性能。

1.4.1玻璃纤维及其织物表面涂覆PTFE

    PTFE具有高的化学稳定性、突出的不粘性、优异的耐老化性、耐腐蚀、自洁性等优良特性,但存在机械性能差、耐磨性差、导热性差等缺陷,玻璃纤维具有优良的力学性能和物理化学性能,在玻璃纤维及其织物表面涂覆PTFE,既能弥补和改善PTFE的缺陷,又能发挥玻璃纤维的优势性能,同时降低玻璃纤维的脆性,形成强度高、耐磨性好、耐老化的玻璃纤维/PTFE材料。

    玻璃纤维涂覆PTFE一般采用多次浸渍工艺,经过热处理的玻璃纤维布通过浸渍槽涂覆PTFE分散液,再进行干燥、烘焙、烧结等处理,将乳液中多余的水分及溶剂蒸发,留下PTFE树脂颗粒紧紧地附着在玻璃纤维布上,该材料既具PTFE特性,又有玻璃纤维优异性能,常用作建筑膜结构材料、绝缘材料、摩擦材料等,被广泛应用于建筑、电子等领域。

1.4.2玻璃纤维及其织物表面涂覆硅橡胶

    硅橡胶具有良好的电绝缘性、耐高低温、耐氧老化等优点,在玻璃纤维及其织物表面涂覆硅橡胶,可以改善玻璃纤维的耐折性能和耐磨性能。以玻璃纤维及其织物为基材,涂覆硅橡胶形成的涂覆玻璃纤维织物,具有抗拉强度高,尺寸稳定、电绝缘性好和耐化学腐蚀等优良特性,通常作为电气绝缘材料,可制成绝缘布、套管等产品;作为防腐材料可用作管道、储罐的内外防腐层;也可作为建筑膜材、包装材料等应用于建筑、能源等行业。

1.4.3玻璃纤维及其织物表面涂覆蛭石

    蛭石是一种含镁的水铝硅酸盐矿物,能耐1250℃高温,被加热膨胀后体积增大,导热率低,膨胀后的蛭石密度小、化学绝缘性好、隔热隔音、耐火防冻,虽然玻璃纤维有好的耐热性,但长期使用温度不宜过高,遇明火时火焰甚至可穿透其制品,将蛭石涂覆于玻璃纤维及其织物表面,蛭石可提高玻璃纤维的耐火耐温性,还能起到隔热阻燃的效果。涂覆蛭石玻璃纤维制品具有更高的耐热性,还具有好的隔热阻燃性,被应用于焊接防护、防火防护、管道包扎等。

1.5玻璃纤维表面金属化

    镀金属玻璃纤维复合材料导电性能好、强度高、可加工性强,可作为电磁屏蔽材料、吸波材料、抗静电材料、导热材料等,用于制作电磁波防护服、电磁波的滤波板等。

1.6玻璃纤维在环境领域的应用

1.6.1过滤材料

    玻璃纤维过滤材料主要有连续玻璃纤维过滤布、膨体纱玻璃纤维滤料、针刺毡玻璃纤维滤料和玻璃纤维覆膜过滤材料。连续玻璃纤维过滤布用于工业捕集过滤工业烟气粉尘;膨体纱玻璃纤维滤料用于滤式除尘器;针刺毡玻纤滤料应用于化工、冶金等工业的烟气过滤;玻璃纤维覆膜过滤材料应用于高温烟气除尘。

    另外,玻璃纤维过滤材料和含尘颗粒带有电荷,电荷之间的相互作用使含尘颗粒被捕集在玻璃过滤材料上,可用于环境保护和清洁。例如由高硅氧玻璃纤维制成的过滤布可从800℃以上的高温气体中滤除粉尘,用于工业窑炉废气的消烟除尘,减少对大气的污染。玻璃纤维空气过滤纸用于除去空气中的异味,可以净化空气;也可用于汽车尾气处理,滤除汽车尾气中的固体颗粒,转化尾气中的有害气体。

1.6.2水土保护材料

    玻璃纤维和有机纤维材料复合可形成用于防止水土流失的土工材料;将玻璃纤维喷洒在地上会形成弹性多孔毡,可以保护刚播种的农田免遭冲刷;玻璃棉毡可作为载体用于无土栽培;玻璃纤维与其他材料复合可用于处理固体废弃物;将玻璃纤维负载WOV2O3等用于垃圾焚烧过程除去废气中的氮氧化物。

1.7风力叶片材料

    用玻璃纤维及其复合材料制成的风机叶片轻质高强,可以避免运行中共振带来的破坏。

2展望

    传统玻璃纤维工业中,在玻璃纤维的合成过程中借助各种合成技术制备出新型玻璃纤维复合材料,以克服玻璃纤维脆性大、耐磨性差的不足。近年,为满足各种特殊条件下的需求,充分发挥玻璃纤维的本征优势,减低成本,开发了各种表面技术对玻璃纤维表面进行特殊的改性处理。因此,玻璃纤维表面改性是今后玻璃纤维复合材料制备技术发展的新趋势。