玻璃纤维的应用与发展

2015-01-05赵家琪赵晓明李锦芳郭映雪

纺织科学与工程学报 2015年3期

赵家琪，赵晓明，李锦芳，郭映雪

(天津工业大学纺织学部，天津300387)

世界玻璃纤维工业创立于1938年，国外已有50余年的发展史。玻璃纤维的产量、生产工艺、品种规格以及应用领域都在不断发展。据统计，目前世界上生产玻璃纤维的国家有三十多个，破璃纤维有近五千种，用途有四万余种。作为新型材料，玻璃纤维增长十分迅速。

我国玻璃纤维工业始于1958年，技术主要来于前苏联。当时，国外对我国进行技术封锁，导致国内玻璃纤维行业只能采用产量低、性能不稳定、能耗大、污染大的200孔球法坩埚拉丝工艺生产。1980年后，我国引入了玻璃纤维池窖拉丝法生产工艺，用该方法生产玻璃纤维可以达到产量高、能耗低的效果。新工艺的引进加快了我国玻璃纤维行业的发展，使得生产出产品的质量与产量都在逐年增加。

玻璃纤维是性能优异的无机非金属材料。具有不燃、耐高温、绝缘、拉伸强度高的优点以及良好的化学稳定性。由于玻璃纤维的优异性能，使得玻璃纤维产品被广泛的应用于各领域，诸如石油、化工、建筑、环保以及航空、国防等领域。

1 玻璃纤维及其产品的分类及应用

玻璃纤维，英文名称:glass fiber或 fiberglass，其种类繁多且耐热、抗拉强度高、绝缘性好、抗腐蚀，是具有优异性能的无机非金属材料;但同时，也存在着性脆、不耐磨的缺点［1］。玻璃纤维是将玻璃高温熔化之后，再经过拉丝、络纱、织布等工序制成。玻璃纤维主要应用于增强复合材料、绝缘以及保温隔热材料，其产品在各领域都有着广泛的应用。

1.1 玻璃纤维的特性

玻璃纤维的熔点为680℃，沸点为1000℃，密度为2.4～2.7g/cm3。抗拉强度在标准状态下是6.3～6.9 g/d，湿润状态5.4～5.8 g/d，密度2.54。玻璃纤维的耐热性好，同时是绝缘性良好的高级绝缘材料，适用于生产绝热防火材料［2］。玻璃纤维的分子结构见图1。

图1 玻璃结构

1.2 玻璃纤维的成分

生产玻璃纤维用的玻璃与其它玻璃制品的玻璃不同。生产玻璃纤维用的玻璃所含成分如下:

(1)E-玻璃，又称无碱玻璃，属硼硅酸盐玻璃。在目前生产玻璃纤维用的材料中，无碱玻璃的应用最多。无碱玻璃具有良好的绝缘性和机械性能，主要用来生产绝缘玻璃纤维和高强度玻璃纤维，但是无碱玻璃不耐无机酸腐蚀，所以不适合在酸性环境中使用。

(2)C-玻璃，又称中碱玻璃。与无碱玻璃相比，有较好的耐化学性，电气、机械性能差。在中碱玻璃中添加三氯化二硼可生产玻璃纤维表面毡，具有耐腐蚀的特性。不含硼的中碱玻璃纤维主要用于生产过滤织物与包扎织物。中碱玻璃纤维的几种主要纤维纱的指标参数如表1。

表1 中(无)碱无捻玻璃纤维纱的主要指标

(3)高强玻璃纤维，顾名思义，高强玻璃纤维具有高强度高模量的特性。其纤维抗拉强度为2800MPa，高于无碱玻纤抗拉强度25%左右，弹性模量为86000MPa，高于 E-玻璃纤维［3］。高强玻璃纤维的产量不高，加上其高强度高模量的特性，所以一般用于军工、航空航天及运动器械等领域，其他领域应用并不广泛。

(4)AR玻璃纤维，又称耐碱玻璃纤维，是一种无机纤维。耐碱玻璃纤维耐碱性好，可抗高碱物质的腐蚀。具有极高的弹性模量以及抗冲击、抗拉、抗弯强度，同时还具有不燃、抗冻、耐温湿变化能力强，抗裂、抗渗性能好，可塑性强，易成型的特性［4］，是玻璃纤维增强混凝土的肋筋材料。

(5)A玻璃，又称高碱玻璃，是一种钠硅酸盐玻璃。因其耐水性较差，故一般很少用于生产玻璃纤维。

(6)E-CR玻璃，是一种无硼无碱玻璃。E-CR玻璃的耐水性约为无碱玻璃纤维的7～8倍，耐酸性要比中碱玻璃纤维好［5］。可用来生产耐酸、耐水性高玻璃纤维，其产品主要用于地下管道及贮罐的表层防护。

(7)D玻璃，又称低介电玻璃。用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。

1.3 玻璃纤维的物理性能

玻璃纤维的物理性能主要表现在密度、断裂强度、尺寸稳定性以及硬度方面。表2列出了玻璃纤维与其他几种纤维的主要性能。

表2 玻璃纤维与其他几种纤维的主要性能

从上表列出的数据对比可看出玻璃纤维的密度比有机纤维的密度高，比金属纤维的密度低。另外玻璃纤维的硬度远高于锦纶，具有良好的抗弯曲性。相同质量下玻璃纤维的断裂强度约为钢丝的2～4倍，具有较高的拉伸强度。玻璃纤维的最大伸长率仅为3%，尺寸稳定性极佳［5］。

1.4 玻璃纤维的化学性质

玻璃纤维是一种无机纤维，自身不燃，耐热性佳。玻璃纤维的导热系数很小，所以它常用于管道和容器的隔热，或者用来制作成型件的绝缘壳;玻璃纤维具有良好的抗腐蚀性，化学性质十分稳定。同时，玻璃纤维还具有高比电阻和低电介质常数。

玻璃的成分决定玻璃纤维的电性能，尤其是碱氧化物成分含量。玻璃纤维还具有不易老化、抗腐蚀、防紫外线、不发霉的特性。可以通过采用适合的表面处理剂来改善玻璃纤维的加工性能。

玻璃纤维自身的特性，导致玻璃纤维的耐磨性、吸湿性、抗弯性、柔软性都较差的缺陷。断落的玻璃纤维，触及人体使人感觉不舒服，皮肤发痒。另外，玻璃纤维染色困难，生产成本较高。

玻璃纤维由氧化镁、氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化钠、二氧化硅等成分构成［6］。玻璃纤维中碱含量为0% ～2%的玻璃纤维称为无碱玻璃纤维，碱含量为8%～12%的玻璃纤维称为中碱玻璃纤维，碱含量高于13%的玻璃纤维称为高碱玻璃纤维。

1.5 玻璃纤维的作用

玻璃纤维可用于增加材料刚性、硬度，例如添加玻璃纤维的塑料的强度和刚性都会有所增加，但韧性会下降;添加了玻璃纤维的材料，耐热性将会有所增加，例如添加玻璃纤维的尼龙，其耐温达220度以上。玻璃纤维还具有以下作用:提高材料尺寸稳定性;降低材料收缩率、减少材料翘曲变形、蠕变;干扰材料阻燃体系，影响材料的阻燃效果;降低材料表面的光泽度;增加材料的吸湿性;影响材料的脆性、冲击强度。

根据玻璃纤维不同的特性，可以生产不同种类的应用材料，如玻璃纤维具有耐热、不燃的特性，可以生产防火隔热产品;耐腐蚀的特性可以在生产工业过滤材料方面得到应用;其较高的抗拉强度与吸水性小的特点可用来生产减震材料与防潮材料。

1.6 玻璃纤维的制造工艺

玻璃纤维的制造过程一般是先将原料进行熔融，之后进行纤化处理，如果要制成玻璃纤维球或者纤维棒的形状，则不能直接进行纤化处理。玻璃纤维的纤化工艺有三种:

拉丝法——主要方法为长丝喷嘴拉丝法，其次为玻璃棒拉丝法和熔体滴拉丝法［7］;

离心法——转鼓离心法、阶梯离心法和水平瓷盘离心法;

吹喷法——吹喷法和喷嘴吹喷法。

以上几种工艺也可以联合使用，如拉丝—吹喷法等。

后加工在经过纤化之后进行。纺织玻璃纤维的后加工分为以下两大步骤:

(1)在生产玻璃纤维过程中，卷绕前合并在一起的玻璃长丝要进行上浆处理，在收集与孔眼转鼓前要用润滑剂对短纤维进行喷洒［8］。

(2)进一步加工，根据玻璃短纤维和玻璃短纤维粗纱的情况不同，有如下步骤:

①玻璃短纤维加工步骤:

②玻璃短纤维粗纱加工步骤:

1.7 玻璃纤维产品的应用领域

玻璃纤维产品主要为以下几种:

(1)玻璃布。分为无碱和中碱两类。无碱玻璃布主要用来生产车体和船体的外壳、模具、贮罐以及绝缘电路板。中碱玻璃布主要用于生产耐腐蚀产品如化学品容器，也可用来生产涂塑包装布［9］。生产织物所选用纤维的性能以及织物的纱线结构和经纬密度影响着织物的特性。

(2)玻璃带。由玻璃纤维通过平纹编织制成，有光边带和毛边带两种。一般要求介电性能好以及高强度的电气设备的零件都是用玻璃纤维制造的［9］。

(3)单向织物。单向织物由粗经纱和细纬纱织成的四经破缎纹或长轴缎纹织物。特点是在经纱主向上具有高强度。

(4)立体织物。具有三维结构特征的织物，能够增强复合材料的整体性和仿生性，并且可以增加复合材料的抗损伤容限，在体育、医疗、交通、航天、军事等领域有着广泛的应用。立体织物包括机织、针织三维织物;正交、非正交三维织物。立体织物的形状有柱状、管状、块状等。

(5)槽芯织物。将两层平行织物通过纵向竖条连接形成的织物，截面为矩形或者三角形［9］。

(6)异形织物。异形织物形状相似于其要增强的产品形状，因此根据其增强的产品的形状不同，须按不同要求在专用织机上进行织造。可以制成对称与不对称两种形式的异形织物。

(7)组合玻璃纤维。按一定顺序将连续原丝毡、短切原丝毡、无捻粗纱以及无捻粗纱织物进行混合生产而出的制品。这些组合顺序一般为短切原丝毡+无捻粗纱织物;短切原丝毡+无捻粗纱布+短切原丝毡;短切原丝毡+连续原丝毡+短切原丝毡;短切原比毡+随机无捻粗纱;短切原丝毡或布+单向碳纤维;短切原丝+表面毡;玻璃布+单向无捻粗纱或玻璃细棒+玻璃布。

(8)玻璃纤维绝缘套管。将树脂材料涂在管状玻璃纤维织物上而形成的。其种类包括PVC树脂玻纤漆管、丙烯酸玻纤漆管、硅树脂玻纤漆管等。

(9)玻璃纤维缝编织物。又称为编织毡或针织毡，与普通的织物和毡有所不同［9］。通过缝编把重叠在一起的经纱与纬纱编织成的织物就是缝编织物。缝编织物与玻璃钢的层合制品，在抗弯强度、抗张力强度以及表面光滑度方面都有较高的提升［10］。

(10)玻璃纤维布。玻璃纤维布分为六个种类，分别是:玻纤网格布、玻纤方格布、玻纤平纹布、玻纤轴向布、玻纤电子布。玻璃纤维布主要被应用于玻璃钢行业，也可用于建筑行业。在玻璃钢行业的应用中，玻璃纤维布的主要作用是用来增加玻璃钢强度。在建筑行业的应用中，用于制作建筑外墙保温层，内墙装饰，内墙防潮防火材料等。

2 国内外玻璃纤维行业发展状况

玻璃纤维世界很精彩，产品日新月异，琳琅满目。目前世界范围内碳纤维的品种已达到5000多种，有60000多个规格用途，在冶金、化工、通讯、电子、建筑、航空航天、交通运输以及其他高新领域都有应用，可以说，已成为全球二十一世纪不可缺少的可持续发展的高新功能材料与结构材料。目前全球玻璃纤维总产量正以年平均增长16－20万吨的规模，品种和规格以年平均增长1000－1500种的速度迅猛向前发展。

2.1 国外玻璃纤维行业的发展状况

2003年全球玻璃纤维总产能已达到300万吨，实际生产总量为250万吨，其中池窑拉丝产量已占总产量的85～90%，在250万吨总产量中，用于增强热固性塑料的制品约有100万吨，用于热塑性塑料的制品有70万吨，这两种制品共占总产量的68%。若按制品的用途详细分类，则用于交通的占24%、建筑18%、电器14%、工业装备12%、基础设施7%、消费品8%、船舶6%、其它11%［11］。

2010年全球玻璃纤维总产能达到471.5万吨。其中，无捻粗纱产能达384万吨，产能分布为:亚洲220万吨，欧洲85万吨，美洲79万吨［12］。纺织纱产能为87.5万吨，产能分布为:中国60万吨，日本5万吨，美洲18万吨，欧洲4.5万吨。上述产能实现70% ～80%，2010年，全球玻璃纤维实际总产量达330 ～380万吨［12］。

从2003年300万吨的总产能到2010年471.5万吨的总产能，其产能增长了约37%，平均每年增长5.3%。随着各国市场经济的发展，玻璃纤维在交通、建筑、电子、工业防护、环境保护以及国防等领域的应用越来越广泛。产业对玻璃纤维的需求增大，导致玻璃纤维的产能也将增加，预计在今后的发展中玻璃纤维产能的增长率将不低于5%。

国外的玻璃纤维制品产量大种类多，若按产品用途不同进行区分可分成增强沥青用玻璃纤维制品、增强热固性塑料用玻璃制品、玻璃纤维纺织品以及增强热塑性塑料用玻璃纤维制品四个大类［12］。从总体上看，国外玻璃纤维增强制品约占总量的70～75%，纺织玻璃纤维制品仅占总量的25～30%［13］。其中，国外玻璃纤维纺织品花色品种最多，发展最为迅速，其种类有膨体纱，混纺纱，铝液过滤纱，浸渍纱，耐热纱，高强度纱以及工业用纺织纱;国外玻璃纤维织物有很多种，包括网格织物、多轴向织物、针织物、缝编织物以及普通的机织物［14］。

作为生产玻璃纤维的大国，美国、日本及欧洲国家的玻璃纤维人均消费也很高。在玻璃纤维产品生产开发方面美国、日本及欧洲国家也有着较高的技术水平。

在美国，玻璃纤维开发生产方面较为突出的公司有美国PPG公司、美国O.C公司、美国赫氏公司、美国BGF公司、美国DS公司以及美国Johns Manville公司和美国Polystrand公司。

在日本，玻璃纤维开发生产方面较为突出的公司有日本国日东纺绩株式会社、日本尤尼奇卡公司、日本一休贝尔公司。

在玻璃纤维开发生产方面较为突出的欧洲国家有法国圣戈班集团托特克斯玻纤公司、法国圣戈班技术织物公司、法国Favier Tpl公司、法国Schappe技术公司。

2.2 国内玻璃行业的发展状况

据资料显示，我国玻璃纤维的产量2000年不到世界产量10%，而到了2010年则提高到了54%，我国成为世界最大的玻璃纤维出口和生产大国。。

2007年之前，全球玻璃纤维生产主要集中在欧美地区。由于近年来国内玻璃纤维产能的提高以及国内经济的迅速发展，目前就玻璃纤维的产能和消费能力来说，我国已经跃居世界首位。2005年国内玻璃纤维消费量为80万吨，2010年则达到了335.5万吨，2005－2010年年均复合增长率达到33.6%。2011年中国共生产玻璃纤维372万吨，占全球总产量的76%;预计2012年产量将增长至430万吨，占全球总产量的81%。2013年，由于国内部分玻璃纤维窖的停产维护，同时落后的产能也被淘汰，预计国内玻璃纤维产量将会减少25万吨左右。但是随着国内玻璃纤维产能的不断增大，以及经济发展带动各领域对玻璃纤维的需求不断增大，预计2014后年国内玻璃纤维产量将逐渐恢复。

国内玻璃纤维产业之所以发展如此迅速，主要是因为国内市场和国际市场需求的增长与扩大。国内市场的增长的原因，主要是因为随着我国经济的不断发展，各领域对于玻璃纤维材料的需求越来越大，从而带动了国内市场的增长。国际市场的扩大的原因，其一是总需求增长的因素影响，二是因为前期利润率低而导致的国际企业退出，国内玻璃纤维企业在国际上有更多的发展空间。

出口依赖程度较高是国内玻璃纤维行业的特点，占国内总产量35%以上玻璃纤维产品出口。2010年出口玻璃纤维达到了120.8万吨，同比增长23.5%。2011年1－9月，中国玻璃纤维出口量为94.6万吨，同比增长0.32%，同比增长率出现了明显的下滑。未来随着中国国内需求的持续增长，将有望减少对出口的依赖。

国内玻璃纤维市场具有较高的集中度，中国玻璃纤维股份有限公司、泰山玻璃纤维有限公司和重庆国际复合材料有限公司掌握了国内玻璃纤维市场的大部分产能，这三家企业，2012年时合计产能占国内玻璃纤维总产能的43%，而且仍然有新的产能增加，预计2015年产能合计能够达到国内玻璃纤维总产能的49%［16］。

表3 2011年中国主要玻纤企业营业收入

国内玻璃纤维行业之首是以短切原丝、无捻粗纱和电子级玻璃纤维纱为主的中国玻璃纤维股份有限公司。2010年以来，中国玻璃纤维股份有限公司分别在法国、新加坡、南非、日本、埃及、美国等国家相继设立了分公司，以此来减少其他国家的反倾销政策，同时提高在海外市场的占有份额。

国内另一家较大的玻璃纤维企业是泰山玻璃纤维有限公司。该公司的主要产品是无捻粗纱、电子级玻璃纤维纱。与中国玻璃纤维股份有限公司积极进军海外市场的发展方向不同，泰山玻璃纤维有限公司的发展目标主要放在了国内市场上，并且在发展传统玻璃纤维行业的同时积极与国外掌握先进技术的玻璃纤维企业进行合作学习，开拓玻璃纤维产品在新兴领域内的发展与应用。

3 对于国内外玻璃纤维产业的比较分析

近年来，随着国内玻璃纤维的迅速发展，我国逐步成为了世界上最大的玻璃纤维生产国，对玻璃的需求量也在逐年增加。国内玻璃纤维行业的产能增长基础是需求的增加，在满足国内需求的同时进行外销。

虽然我国玻璃纤维行业产值非常大，但是在生产技术方面，我国玻纤企业生产的都是附加值不高的中低档产品，而进口的都是大陆玻纤近期内无法生产的产品。国内玻璃纤维产业与国外玻璃纤维产业相比，规模上仍然存在着差距。另外，国内现有的生产线以及生产设备，并不具备可以生产出一流玻璃纤维产品的条件。这也导致国内玻璃纤维产品的规格和档次并不高，这也导致了进口玻璃纤维的价格高于其出口的价格。所以表面上看似我国是玻璃纤维生产大国，可实际上只是产量大，在生产技术和产品质量上却并不强。

因此，国内玻璃纤维产业想要达到真正的大国、强国水平，首先要研究掌握生产高档玻璃纤维制品如电子布、电子纱、高品质玻璃纤维制品等的生产技术。其次，加强相关人才的培养，升级生产线和生产设备，开发玻璃纤维更多的应用领域，提高玻璃纤维的应用效率，使玻璃纤维从生产到应用形成一条高质量的产业链。

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