玻璃纤维的结构和化学成分解析

1.玻璃纤维的结构

玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体，是无定形的各向同性的均质材料。玻璃纤维与块状玻璃截然不同，玻璃纤维的拉伸强度比玻璃高出许多倍，故关于玻璃纤维结构有两种不同观点：一种认为玻璃纤维的结构与块状玻璃的结构大同小异，没有原则性的区别；另一种认为玻璃纤维的结构与块状玻璃有很大的差别。但经大量研究证明，玻璃纤维的结构仍与块状玻璃相同。对于玻璃的结构主要有两种假说，即网络结构假说和微晶结构假说。

网络结构假说认为，玻璃是二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成的不规则三维网络，网络间的空隙中填有Na+、Ca2+、K+、Mg2+等阳离子。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础。填充的Na+、Ca2+等阳离子则称为网络的改性物。玻璃的结构示意图如图9-1所示。图9-1a所示为氧化硅玻璃网络结构的二维图像，当Na₂O加入到图a中，使网络发生变化，其中Na⁺与O²-是离子键结合，而不直接与网络相连（见图9-1b）。

微晶结构假说认为，玻璃由硅酸或二氧化硅的“微晶子”组成，这种“微晶子”是结构上高度变形的晶体，在“微晶子”之间填充着过冷的硅酸溶液。

图9-1 玻璃的结构示意图(www.xing528.com)

2.玻璃纤维的化学组成及各种成分的作用

玻璃纤维的化学组成主要是SiO₂、B₂O₃、CaO、Al₂O₃等，它们对玻璃纤维的性能和生产工艺起决定的作用。以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃，以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。通常二氧化硅是玻璃纤维的主要成分，在玻璃纤维中二氧化硅构成玻璃纤维牢固的骨架，使玻璃纤维具有化学稳定性、热稳定性、机械强度等。二氧化硅的主要来源是砂岩和沙子。

玻璃纤维的组分对玻璃的性能也有重要的影响。氧化硼可以提高玻璃纤维的热稳定性、耐化学性能和电绝缘性能，降低玻璃的熔化温度，降低玻璃纤维的韧性。氧化钙可以提高玻璃纤维的化学稳定性、机械强度，增加玻璃纤维的硬度，但会使玻璃纤维的热稳定性降低，其主要来源是石灰石、大理石等。三氧化二铝的加入可提高玻璃的耐水性、韧性，降低玻璃纤维的析晶性，其主要来源是长石、高岭土等。氧化钠和氧化钾等助熔氧化物的引入可以降低玻璃的熔化温度和黏度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，同时增加玻璃纤维的膨胀系数，其主要来源是芒硝和小苏打。氧化镁则可以提高玻璃纤维的耐热性、化学稳定性、机械强度，降低玻璃纤维的析晶性和韧性，其主要来源是白云石、菱苦土等。

如电缆中常用的E-玻璃纤维含53.5%SiO₂、含16.3%Al₂O₃，含17.2%CaO、含8.0%B₂O₃、含4.4%MgO，还含0%～3%Na₂O。