玻璃纤维：产地、软化温度与耐热性分析

玻璃纤维是由熔融态玻璃制造的，分为连续纤维和棉状纤维两种。古埃及人在石英沙和石灰石熔浆中快速拉出玻璃细丝，主要用于装饰陶瓷用品。20世纪50年代，玻璃纤维进入高速发展时期。

在世界范围内玻璃纤维工业保持向上的发展趋势，美国和加拿大是最大的玻璃纤维生产国，欧洲是传统的玻璃纤维生产大国，这与美国、加拿大和欧洲航空航天工业和军工等产业的需求密切相关。北美和欧洲不仅是玻璃纤维生产的大国，而且是玻璃纤维生产的强国。亚洲是近年来玻璃纤维生产增长最快的地区，我国已成为玻璃纤维第三生产大国。玻璃纤维的加工方法包括坩埚法和池窑法，池窑法的劳动生产率高，单位能耗低。国外普遍采用生产规模在1万～5万吨/年的池窑法生产工艺。国外厂家大量开发异形截面、卷曲、复合等特种性能的新产品。

一、制备

就纺丝方法而言，玻璃纤维又可以分为直接纺和间接纺，其加工原理和涤纶的直接纺和切片纺相似。

1.直接纺　直接纺通常是池窑法拉丝，以其自身的生产特点，直接用生产玻璃球的配合料作为原料熔融纺丝，其装置见图2-24。

图2-24　直接纺装置图

2.间接纺　间接纺通常是坩埚法拉丝，即以坩埚法生产玻璃球，再以玻璃球为原料熔融纺丝，其装置见图2-25。

图2-25　间接纺装置图

二、结构与性能

玻璃纤维是由硅酸盐的熔体制成，各种玻璃纤维的结构组成基本相同，都是由无规SiO2组成。纯SiO2是由共价键联结的晶体，熔点在1700℃以上。加CaCO3和Na2CO3可以降低熔融温度，所以玻璃纤维中含Na2O和CaO等碱金属和碱土金属氧化物。SiO2构成了纤维骨架，其他氧化物位于骨架的空隙中，也有取代SiO2位置。

（一）外观和密度

玻璃纤维是个光滑的圆柱体，它的横截面几乎是完整的圆形。由于其表面光滑，故纤维间的抱合力小，也不利于与树脂的黏合，同时由于截面为圆形，故一束纤维间填充就比较密实。玻璃纤维的单丝直径一般为3～10μm，玻璃纤维增强塑料用的纤维多为13μm，15μm、24μm的单丝也在纤维缠绕、挤拉成型等方面应用。玻璃纤维密度为2.4～2.7g/cm3，比棉纤维（1.5～1.6g/cm3）、羊毛纤维（1.28～1.33g/cm3）、锦纶纤维（1.14g/cm3）等要大得多。

（二）力学性能

1.拉伸强度　玻璃纤维力学性能的最大特点是拉伸强度高，直径3～9μm的玻璃纤维其拉伸强度可高达1470～4800MPa，远高于腈纶（490～680MPa）、人造纤维（340～440MPa），与常规碳纤维的强度相当，但密度比碳纤维高。

2.弹性模量和延伸率　玻璃纤维的弹性模量约为7×104MPa（275.6cN/dtex），约与金属铝的弹性模量相当，只有普通钢弹性模量的三分之一。玻璃纤维的弹性模量与纤维直径大小无关，与表面磨损程度也无关，主要取决于玻璃结构本身，不同直径的玻璃纤维弹性模量相同。玻璃纤维是一种弹性材料，应力—应变图基本上是一条直线，无明显的塑性变形阶段。由于玻璃纤维的分子结构中硅氧键结合力较强，受力后不易引起错动，故其延伸率很低，一般只有3%左右；但与纤维的直径大小有关，当直径为9～10μm时，其最大延伸率为2%左右，直径为5μm时，其延伸率为3%～3.5%，这较一般的天然纤维、合成纤维及金属材料的延伸率低得多，因而玻璃纤维仍表现出一定的脆性。

3.耐磨性和耐扭折性　玻璃纤维的耐磨和耐扭折性很差，摩擦和扭折很容易使纤维受伤断裂，这是玻璃纤维的缺点。表面吸附水分能加速纤维受摩擦和扭折时的微裂纹扩展，使耐磨性和耐扭折性降低。玻璃纤维的上述缺点给纤维加工带来了困难，为了提高耐磨性和耐扭折性能，可以采用适当的表面处理方法。如经2%阳离子活性剂水溶液处理后，玻璃纤维耐磨性比未处理的高200多倍；经A-172硅烷偶联剂适当处理，其耐扭折性能也可大幅度提高。

（三）热性能

1.导热性　玻璃纤维的导热性非常小，在室温下，其热导率约为0.027W/（m·K）。随着温度的提高，玻璃纤维的热导率也会有变化，如玻璃棉在200～300℃时，其导热率也不超过0.06～0.08W/（m·K），因此，玻璃纤维是一种耐高温的隔热材料。

2.耐热性　玻璃纤维的耐热性较高，其线膨胀系数为4.8×10-6K-1，比热容为0.795kJ/（kg·K），软化温度为550～850℃。玻璃纤维的软化温度因玻璃成分而异，一般无碱玻璃的软化点约为845℃，中碱玻璃约为764℃。无碱纤维的使用温度可高达600～700℃，而有碱纤维则为500～550℃，当在无碱玻璃成分中加入10%～15%的氧化锆、氧化钛或氧化铝后，可使该玻璃纤维的使用温度提高至700～800℃。在30s内短期作用下，无碱玻璃纤维耐热性达1000℃，而石英和高硅氧纤维可高达2000℃。玻璃纤维是一种无机纤维，它本身不会引起燃烧。玻璃纤维在较低的温度下受热，其性能虽变化不大，但会发生收缩现象，即使在100℃左右时也会有收缩倾向。因此，在制造玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）时，如果纤维与树脂黏结不良，就会由于加热和冷却的反复而发生剥离现象，导致制品强度下降。

（四）介电性能

玻璃纤维同玻璃一样，在外电场作用下，由于纤维内的离子产生迁移而导电。玻璃纤维的介电性能与其化学组成、环境的湿度和温度有关，碱金属离子（K+、Na+）最易迁移而导电，因此，玻璃纤维成分中这种碱金属含量越高，其介电性能越差。玻璃纤维及其织物的导电性属表面导电，在潮湿环境中玻璃纤维表面会吸附一层很薄的水膜，从而降低其表面电阻率。石英纤维与高硅氧纤维具有良好的介电性能，室温下其电阻率为1016～1017Ω·cm，当温度达700℃时其介电性能无变化，这在高温电绝缘应用方面具有重要意义。若在玻璃纤维中加入大量的Fe2O3、PbO、Bi2O3或V2O5，则会使纤维具有半导体性能。在玻璃纤维表面上涂以金属或石墨，则能获得导电的玻璃纤维。

（五）光学性能

玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维及其织物后，其透光性能远不如玻璃。在一般情况下，玻璃布的反射系数与织纹特点、密度及厚度有关，平均为40%～70%。玻璃布的透射因数与织物的厚度及密度有关。因为玻璃纤维具有优良的光学性能，故可制作透明玻璃钢用作屋面采光材料，并可用作制造光导纤维管，它是现代通讯中的重要材料。

（六）化学稳定性

玻璃纤维的化学稳定性与玻璃一样，取决于其化学组成、介质性质、温度和压力等条件。但玻璃纤维的比表面积比玻璃要大得多，故玻璃纤维的耐腐蚀性远不如玻璃。

三、典型的玻璃纤维及其特点(www.xing528.com)

（一）无碱（E）玻璃纤维

无碱成分是指碱金属氧化物含量小于1%的铝硼硅酸盐玻璃成分。国标上通常叫作E玻璃。最初是为电气应用研制的，但现在E玻璃的应用范围已远远超出了电气用途，成为一种通用配方。国际上玻璃纤维有90%以上用的是E玻璃成分。

E玻璃成分的基础是SiO2、Al2O3、CaO，在此基础上，添加B2O，代替部分SiO2，添加MgO代替部分CaO，形成了现在通用的E玻璃成分，各国生产的E玻璃大体相仿，仅在不大的范围内稍有小变动，范围大致如下：SiO2为55%～57%；CaO为12%～25%；Al2O3为10%～17%；MgO为0～8%。

E玻璃熔制温度在1580℃以上，转变温度在630℃以上，软化点在800℃以上。线膨胀系数较小，为50×10-7℃-1。它有良好的耐水性，属一级水解级，但耐酸性较差，往往在酸的作用下，除SiO2外的所有组分都会被溶蚀掉，剩下多孔的SiO2骨架。可利用这个特性来制造耐高温的高硅氧纤维。

E玻璃电绝缘性能和介电性能优良，是层压板、绝缘带、云母布等电气绝缘材料的主要增强基材。电子级E玻纤布更是制造印刷线路板先进复合材料的主要材料。

E玻璃纤维强度（3058MPa）和弹性模量（71.5GPa）比较高，是交通、能源、建筑、化工、航空、国防等工业中理想的结构增强材料。20世纪90年代以来，用E玻璃纤维增强树脂棒代替钢筋，制得的混凝土更耐腐蚀，可以广泛应用在化工厂、水处理、近海码头、桥墩、采油平台等建筑，也可制作磁共振成像设施、防雷达干扰材料、地磁观测站等。为了减少大气的污染和燃料成本，以压缩天然气为动力的汽车正受到世人的关注，用E玻璃纤维缠绕金属内胆的汽车用天然气瓶的市场正在开发初期，具有很大的发展潜力。

由于E玻璃纤维不耐酸，限制了它的增强材料在酸性环境中的应用，而名为ECR的E玻璃纤维在保持了E玻纤使用性能的同时，提高了4倍的耐酸性，在耐腐蚀及高应力腐蚀地区的绝缘材枓、压缩天然气瓶等方面替代了传统的E纤维，取得良好的经济效益。

（二）高强度、高弹性模量玻璃纤维

20世纪60年代初，美国首先研制成S-994HTS高强度玻璃纤维，新生态单丝强度高达4600MPa，由于它的高比强度（18.8×106cm）和比模量（35.1×107cm）而受到军事部门重视。1964年，S玻璃纤维首次在“赛跑者”导弹上应用成功。继美国之后，法国、日本等国纷纷宣布生产高强度玻璃纤维。我国从20世纪60年代中后期起，开始研究高强度弹性模量纤维。

20世纪90年代，南京玻璃纤维研究设计院又研制成高强4#玻璃纤维，其新生态单丝强度比2#提高14%，弹性模量提高7%，密度为2.53g/cm3。该纤维性能已达到国外90年代同类产品的先进水平，生产工艺稳定。

美国OCF公司研制成Zen Trom牌号的新型S玻璃纤维，强度比美国S玻璃还高15%，冲击强度高5%～10%。为了保护纤维，改善纤维制品的加工性能，满足用户的使用工艺要求，提高纤维与树脂的结合性能，在生产纤维的同时均匀地涂上各种类型的浸润剂。目前高强玻璃纤维浸润剂有FE-5、JF-45、FJA、B、B-2等牌号，属增强型，无需后处理而可直接使用。这些浸润剂中JF-45适合酚醛、环氧等树脂。FJA适合聚酯、环氧、酚醛，其他均适合环氧、酚醛、锦纶等树脂。因此，在选用高强2#和4#玻纤产品时，必须同时提出产品品种和适合的浸润剂牌号，充分发挥纤维增强的作用，制成高性能的复合材料。

（三）耐高温玻璃纤维

军事工业的发展需要有能耐1000℃以上高温的玻璃纤维，制造诸如火箭喷火口、航天热防护装置等。

普通的多元玻璃纤维，包括无碱（E）电绝缘玻璃纤维，由于其黏滞态区域很大，软化温度比结晶相熔化温度要低600～700℃，因此，它们均不能满足要求。纯氧化物如SiO2、A12O3等，它们的熔化温度在1700～3000℃，且有不少并不具备拉制高性能玻璃纤维的成形性能，因为它们不仅结晶速度快，而且黏滞区域窄小。所以到目前为止，只有数量有限的几种难熔氧化物才能制造玻璃纤维制品。石英玻璃纤维与在分相研究基础上发展起来的高性能玻璃纤维是较好的耐热玻璃纤维品种。它们不仅耐高温，而且有优良的介电性能、光学性能，随着生产规模的扩大、成本的降低，目前应用已扩大到普通工业领域。

1.石英玻璃纤维　石英玻璃纤维具有很高的纯度，其二氧化硅（SiO2）含量达到99.9%以上，因而石英玻璃纤维具有很多优异的性能，如高纯度、耐高温、耐烧蚀、低导热、抗热雾、优良的介电性能和良好的化学稳定性等。石英玻璃纤维的主要性能见表2-31。

表2-31　石英玻璃纤维的性能

石英玻璃纤维生产方法特殊，有熔融拉丝法即将水晶或纯净的二氧化硅熔融成玻璃态，并通过漏嘴拉制成纤维，还有棒法拉丝法即在真空加压下将原料熔融，制成直径为2mm的石英玻璃棒，然后再用氢氧火焰加热熔化拉成直径为6mm的原丝，同时涂上浸润剂，原丝经纺织加工制成纱或布等产品。由于二氧化硅熔融温度高达1700℃，且纤维成型工艺复杂，因此，石英纤维产品的价格很高，为E纤维的35～60倍。

石英玻璃纤维品种有布、带、纱、短切纤维、无捻粗纱、绳、毡、纸、缝线、棉、编织套管、针织物、针织带等。

2.高硅氧玻璃纤维　由于石英玻璃纤维价格昂贵，难以大批量生产和应用，因此，在研究玻璃分相的基础上，生产了耐温性和介电性能接近石英纤维的高硅氧玻璃纤维产品。高硅氧玻璃纤维的制造方法是选用合适的原始玻璃成分，按照普通玻璃纤维生产工艺制成布、纱等各种制品，经过酸沥滤，将玻璃中溶于酸的组分沥滤出来，使SiO2富集量达96%以上，再经过热烧结定型，即得到耐温性能接近石英纤维的高硅氧玻璃纤维产品。我国生产高硅氧纤维的原始玻璃组分以SiO2-B2O3-Na2O三元系统为主，同时为降低成本，满足高性能与特种用途的需要，也采用E玻璃和SiO2-Na2O二元系统玻璃为原始组分。它们也是目前美国、英国和俄罗斯等国生产高硅氧纤维的主要成分。SiO2-Na2O系玻璃与SiO2-B2O3-Na2O系和E纤维相比，由于沥滤物少而SiO2含量高，因此，其高硅氧纤维产品性能好。

高硅氧玻璃纤维的主要物理性能：单纤维直径为6～10μm，纤维中含SiO2＞94%，密度为1.74g/cm3，软化温度接近1730℃，耐热温度为1000～1200℃，介电性能接近石英纤维。

3.石英玻璃和高硅氧玻璃纤维制品的应用　两种纤维尤其是高硅氧纤维已在民用上获得了快速的发展。例如，高硅氧网状织物，采用“纱罗”或“充纱罗”组织，涂以酚醛树脂和耐高温无机涂料，用于轻金属、合金（铝、镁等）和钢及磁硬合金的过滤，不仅可以减少浇铸废品60%以上，而且可提高金属的物理、力学和工艺性能。再如，高硅氧织物的耐温特性可以充分发挥其热屏蔽作用而作森林防火隔断材料、800℃气体过滤收尘袋、高层建筑中电缆电线保护套管等。

（四）低介电玻璃纤维

低介电玻璃纤维（简称D玻璃）是一种低密度、低介电常数和损耗，且介电性能受频率、温度变化影响小的特种玻璃纤维，具有宽频带高透波的特性。广泛用于飞机雷达罩、电磁窗和高级印刷线电路板等。美国研制成的D556纤维已被广泛应用，尤其是战斗机雷达罩，大大提高了作战能力。

按照玻璃结构及影响介电常数和损耗因素的研究结果，纯SiO2或B2O3均能获得最佳介电性能，但是由于纯SiO2纤维生产工艺复杂，成本太高，而纯B2O3纤维化学稳定性差，无实用性，因此，使用的低介电玻璃中，一定含有较多的SiO2或B2O3，同时加入能显著改善工艺性能又不致恶化介电性能的氧化物，如CaO、Al2O3等。

虽然D玻璃纤维具有优异的介电性能，但由于玻璃中高含量的SiO2或B2O5均能造成生产工艺性差，覆铜板钻孔性能较差，成本高等缺点，难以在民品中大量应用。因此，国外和南京玻璃纤维研究设计院正在研制新型的低介电玻璃纤维，研究表明新型玻纤具有与E纤维相当的工艺性能，覆铜板钻孔性佳，而介电常数比E玻璃低1/3，为4.6左右，损耗d≤0.0036。优良的介电性能和良好的工艺性，有比D玻纤好的性价比，为制造高性能印刷线路板提供了又一种理想的增强材料，是发展无线电通信、数字模拟和高速数字信息处理等新一代技术的基础。