高强玻璃纤维的发展和应用

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高强玻璃纤维的发展和应用

前言
    1938年，美国欧文斯—科宁公司发明了E玻璃纤维。后应美国空军的需求开发了一种比E玻纤强度和模量更高玻璃纤维，因其强度较高，取名为S玻纤。S玻纤比常规E玻纤拉伸强度提高30％～40％，弹性模量提高15%～20%。1968年推出商用化产品S－2玻纤。1998年后，S－2玻纤由AGY公司生产和销售。
    法国的圣戈班集团的维托特克斯公司开发出了商标为R（或RH）高强玻纤；日本的日东纺织株式会社，板旭子公司也分别开发出了牌号或商标T及U高强玻纤，前苏联的波洛茨克公司（现白俄罗斯）生产牌号BMIl高强玻纤。
    南京玻璃纤维研究设计院，上世纪70年代起成功开发了具有自主知识产权的HS系列高强玻璃纤维，产品性能接近或达到国外先进水平。
    高强玻璃纤维作为先进复合材料的增强基材，最初主要用于航空、航天、兵器等国防军工领域。随着科学技术水平进步及世界经济的发展，高强玻纤在民用一般工业领域如电机行业、风力产业、压力容器增强、高强格栅、汽车行业、体育休闲器材、海上石油管道、建筑补强得到了广泛应用。
    近年来，随着需求的不断增加，高强玻纤在北美、欧洲等发达国家发展较快，年需求自2004年以来，均以每年25％以上的速度递增，国外高强玻纤主要由美国AGY公司生产，其生产及销售量占全世界的80％以上。在我国，高强玻纤作为国家鼓励重点发展的新材料，被列入国家科技部、财政部、税务总局共同组织编制的《中国高新技术产品目录》，中材科技股份有限公司也新建了年产1000t高强玻纤生产线，为日益增长的市场需求提供有利保障。
1 高强玻纤的化学成分
    Si02－Al203－MgO或SiO2－Al203－CaO－MgO是高强玻璃系统主要体系，各种高强玻璃成分的质量分数不尽相同，但其中主要氧化物的含量均比E玻纤高，其中Al203的含量均在25％左右。高强玻纤的化学成分的质量分数见下表1。
2 高强玻纤的性能
    高强玻纤与常用E玻纤相比具有下列主要六大特点：拉伸强度高，弹性模量高刚性好，断裂伸长量大抗冲击性能好，化学稳定性好，耐高温，抗疲劳特性及雷达透波性能好。
2.1 高强玻纤的拉伸强度及弹性模量
    高强玻纤的拉伸强度，弹性模量分别比E玻纤提高了30％～40％和16％～20％以上。用高强玻纤制成的复合材料其强度及模量比E玻纤制成的复合材料分别高近50％。
2.2 耐冲击性能
    断裂伸长率表示纤维抗冲击变形的能力，是材料耐冲击的重要指标，高强玻纤的断裂伸长量大于5％，和芳纶纤维、碳纤维相比，其在一定应力下形变能力最大，能充分吸收冲击能量，该特性决定高强纤维可以作为一种比较理想的防弹材料。
2.3 耐疲劳特性
    高强玻纤的耐疲劳性能比E玻纤高出10倍以上，该特性决定用高强玻纤制成的复合材料具有更长的工作寿命。
2.4 化学稳定特性
    高强玻纤具有高的化学稳定性，其水煮，酸洗，碱洗后强度保持率比E玻纤高。
2.5 耐高温性能
    高强玻纤在比E玻纤更高的温度下熔制而成，具有较高的软化点，通常高强玻纤要比E玻纤更耐100～150℃。
3 高强玻纤制品
    高强纤维制品分为直接制品和复合制品两类，直接制品分为高强玻纤纱线，合股无捻粗纱，直接无捻粗纱，高强玻纤布，单向布，无捻粗纱布等等。
3.1 纺织纱


    国外高强玻纤有捻纱以9μm68 tex的单捻纱为主，也有少量的9μm33 tex的单捻纱和合股纱，浸润剂分为淀粉型，直接增强用硅烷型。纺织纱主要用于供应玻纤织布厂家。我国高强纱主要模仿前苏联的产品以8μm的直接增强细纱为主。
3.2 无捻粗纱
    高强无捻粗纱通常由直径9μm以上原丝来合股而成，其浸润剂分别适用环氧、酚醛、乙烯基等树脂基体。值得一提的是AGY公司在2000年以后推出ZenTron及VeTron的两种牌号的直接无捻粗纱。
3.3 高强玻纤布
    国外高强玻纤厂家通常自身不织布，而是将纺织纱供应给专业的织布厂商来织造高强布。
    除上述规格的高强玻纤布外，BGF和HEXCEL公司还制造一些规格的高强单向布和无捻粗纱布。
    中材科技股份有限公司除可以向市场提供高强纱之外，也生产下列规格的高强玻纤布。



4 高强玻纤的主要应用领域
4.1 航空、航天
    目前高强玻纤在世界航空领域中占20％～30％市场，常见的材料有GLARE层板，S玻纤单向预浸料以及S玻纤细纱布。其用途作为飞机内装材料，地板，舱门，机翼前缘；雷达罩：副油箱；直升飞机机翼等等。
4.2 国防军事、警用器材
    高强玻纤断裂伸长量大抗冲击性能好，高强玻纤的断裂伸长量大于5％使之能成为吸收能量的理想材料，高强无捻粗纱方格布和酚醛树脂复合制成高强玻纤复合材料层压板可以用于各种军事或民用目的防弹装甲。
4.3 一般民用工业
4.3.1 汽车工业
    利用高强玻纤的耐高温性能；用作SilenteX消音器填料减少噪声；高强玻纤与橡胶材料复合制作同步带，这种同步带用在汽车发动机内比金属链更耐高温、耐腐蚀。
4.3.2 压力容器增强
    高强玻纤可以直接用于缠绕各种高压气瓶（医疗、煤矿、消防、登山体育用），或者和碳纤维一起使用，增强气瓶的抗冲击力和耐磨擦性能。
4.3.3 电机行业
    传统换向器加强环多为金属环，不仅强度低（只有400MPa），也不绝缘，采用高强玻纤生产的加强环不仅具有良好的绝缘性能，强度也可以达到800～1200MPa，是钢环的2～3倍，能确保转子轴在高速运转下产生强大的离心力，对漆包线起到固定作用。
4.3.4 高强格栅
    高强玻纤强度高，耐腐蚀性能好，用于生产超长跨距格栅，其纵向筋条的间隔可以非常大。国内客户生产的高强格栅产品通过美国海岸警卫队测试，在海洋石油平台，人行通道，船甲板，地铁。煤矿等紧急逃生通道或救生场所得到广泛的应用。
4.3.5 风力发电
    据国外研究，单台风力机组的发电量和风力叶片的长度的平方成正比，这就要求风力叶片尺寸能尽量的长，以提高发电效率降低发电成本。叶片的大型化就要求叶片本身刚性硬度高，以避免在强风时叶片弯曲变形和塔身相碰。现在研究表明：E玻纤的理论设计极限叶片长度50米左右，因此我有理由相信随着风电产业的发展高强纤维必将会得到应用。
4.4 体育、休闲行业
    高强玻纤作为纤维增强材料用来制作滑雪板和冲浪板、游艇、帆船等陆上及水上项目用品；也可以用来制作钓竿、曲棍球棍、棒球和垒球棒等等。