高硅氧玻璃纖維

高硅氧玻璃纖維的生產(chǎn)是以合適的原始玻璃成分，按普通玻璃纖維的生產(chǎn)工藝制成紗、布等各種制品，經(jīng)過酸瀝濾和熱燒結(jié)工藝，即得到耐高溫性能接近石英纖維的高硅氧制品.對原始玻璃組分，目前主要有以E玻璃以及Si02-B203-Na2O和Si02-B203二元系統(tǒng)為原始玻璃組分，我國主要采用三組分的鈉硼硅酸鹽玻璃。

在生產(chǎn)中，將高硅氧制品經(jīng)酸瀝濾，利用其結(jié)構(gòu)的分相，使B203和Na2O組分瀝濾出來轉(zhuǎn)入溶液中，使Si02富集量達(dá)到96%以上的微孔硅氧骨架，然后再經(jīng)600一800℃的高溫?zé)釤Y(jié)定型，使微孔閉合，骨架結(jié)構(gòu)趨于緊密，而制得高性能的高硅氧玻璃纖維制品。

由于高硅氧玻璃纖維較石英等耐高溫?zé)o機(jī)纖維成本低，使用安全，目前在歐美等國家有若干公司圍繞高硅氧玻纖的高性能開發(fā)了一系列產(chǎn)品，著名的有美國ACIT耐高溫復(fù)合材料公司、美國達(dá)科南方公司、德國Kelevers公司和美國H.I.Thompson公司等。而我國的研究開發(fā)基本上采用跟蹤法，總體上落后于國際水平，國內(nèi)持續(xù)研究時(shí)間長并形成規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)研究的只有通華新材料、陜西玻璃纖維以及南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院.

高硅氧玻璃纖維其工藝原理是利用玻璃在熔融或冷卻過程中，二個(gè)或二個(gè)以上互不相容的液相彼此分離，成微不均勻性，利用其結(jié)構(gòu)的分相而生產(chǎn)的，高硅氧玻璃成分去組成落于分相區(qū)內(nèi)，當(dāng)玻璃冷卻或再加熱時(shí)，會(huì)分離成兩相，一相幾乎全是Si02,另一相則富有B203和Na20，他們很容易被酸溶出。從玻璃結(jié)構(gòu)上看當(dāng)Si02含量較高，而分子比Na20 : B203< 1時(shí)，玻璃中同時(shí)存在著[sio4]四面體、[B04]四面體和[B03]三角體，其中一部分[B04]四面體、[Si04]四面體組成均勻、統(tǒng)一和連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而另一部分形成獨(dú)立的層狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，因此在玻璃中存在一定的分相。而Si02相對酸很穩(wěn)定，B203-Na2O則易溶于酸。高硅氧玻璃纖維的生產(chǎn)就是利用這種原理，將具有基礎(chǔ)玻璃成分的紗或織物在一定條件下進(jìn)行酸瀝濾，使B203-Na2O相轉(zhuǎn)入溶液中，留下微孔結(jié)構(gòu)的硅氧骨架，然后再經(jīng)600-800℃高溫處理，使微孔閉合，骨架結(jié)構(gòu)趨于緊密，從而獲得高穩(wěn)定性的纖維材料，這樣三組分的納硼硅酸鹽玻璃就轉(zhuǎn)化成高硅氧玻璃纖維了。

對高硅氧玻璃纖維的生產(chǎn)，國內(nèi)外所來用的工藝大致相同，都經(jīng)過合適的原料拉絲成型、紡織加工、酸瀝濾、熱燒結(jié)和后表面處理

對高硅氧玻璃纖維生產(chǎn)的原料，目前兩種組分，其中部分廠家為了降低成本，也采用E玻璃進(jìn)行后序加工而制備高硅氧玻纖制品，我國一般都采用三元系統(tǒng)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的纖維制品，但在其融化中，因B2O3和Na20揮發(fā)較大，易造成成分的不穩(wěn)定和對耐火材料的侵蝕較嚴(yán)重，與傳統(tǒng)火焰窯相比，采用全電熔窯在1450℃左右進(jìn)行高硅氧球的熔制，則可大為減少揮發(fā)率和降低對耐材的侵蝕。

高硅氧玻璃其硬化速度較低，拉絲溫度在1150℃左右，析晶上限溫度只有983℃，所以在拉絲過程中很少出現(xiàn)析晶現(xiàn)象.但玻璃液與漏板鉑金的浸潤角較小，所以在漏板設(shè)計(jì)中，要考慮各個(gè)因素的影響，并在拉絲中對強(qiáng)制冷卻氣流的控制以及專用浸潤劑都提出了較高的要求。

酸瀝濾是將結(jié)構(gòu)中分相的非硅質(zhì)相在酸作用下使其析出，以使結(jié)構(gòu)中Si02含量達(dá)到96%以上。離子的分相遷移速率受酸的濃度、瀝濾時(shí)間、溫度以及酸液中H3B03含量的大小及瀝濾速度等因素的影響，對各工藝的設(shè)定和各參數(shù)的合理控制是生產(chǎn)高硅氧玻纖制品的關(guān)鍵。尤其是溶液中H3B03的.含量對制品的斷裂強(qiáng)力有很大的影響.

經(jīng)酸瀝濾的高硅氧玻纖制品，其分相中易溶組分B203和Na20等被酸瀝濾出來，留下連續(xù)的富Si02的多孔骨架，需在600-800℃或更高溫度下進(jìn)行熱燒結(jié)，使其微孔閉合，強(qiáng)度有所恢復(fù)，但當(dāng)溫度過高時(shí)，將會(huì)使玻璃表面的微裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下擴(kuò)大，從而使制品的強(qiáng)力反而下降。同酸瀝濾一樣會(huì)對制品的物理力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，其具體影響見表2。所以在生產(chǎn)過程中，需對熱燒結(jié)的溫度制度和燒結(jié)時(shí)間進(jìn)行合理的控制，在保證恢復(fù)最大強(qiáng)力的同時(shí)使制品在應(yīng)用條件下的線收縮率不大于3%。

近年來對高硅氧纖維的需求量也在不斷增加,為提高高硅氧制品的應(yīng)用性能，國內(nèi)外公司都在進(jìn)行提高硅氧玻璃纖維制品強(qiáng)度與耐熱性的研究和開發(fā)，部分制品已成功應(yīng)用于高溫氣體、液體和侵蝕性介質(zhì)的過濾和國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)高端領(lǐng)域。

(1)軟化點(diǎn)接近1700℃，可長期在900℃環(huán)境下使用，瞬間可以耐數(shù)千度的氣流部刷。

(2)在有機(jī)和無機(jī)酸中(氫氟酸、磷酸和鹽酸除外)甚至在高溫下，以及弱堿中保持良好的性能穩(wěn)定。

(3)對熱沖擊和超高輻射有較高的穩(wěn)定性，在高溫和高濕條件絕緣性能優(yōu)良，與高溫膠具有良好的黏結(jié)性能。

(4)耐濕耐日光輻射并且抗震，可用于各種密封材料，制品結(jié)構(gòu)牢固，在許多高溫條件下保持柔軟性。

(5) 結(jié)構(gòu)及性能穩(wěn)定，對人體沒有危害，可代替陶瓷纖維和石棉纖維(高溫下發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變)。

(6)防火溫度高，在汽油中燃燒不氧化、不變色，強(qiáng)度高，不會(huì)造成二次污染。

(7)具有良好的耐磨性與絕緣性能，大多數(shù)情況下價(jià)格具有競爭優(yōu)勢。

(8)其骨架可以適當(dāng)?shù)靡钥刂?，制作各種膜件，用于液體過濾、氣體分離或作為催化劑或酶的載體。

正是有如此多的優(yōu)點(diǎn)和特性，高硅氧玻纖制品受到高度的重視和廣泛的研究，并已在許多要求苛刻的工作環(huán)境中大規(guī)模應(yīng)用，開發(fā)研究高性能的高硅氧玻纖制品將極具市場前景。

樹脂基復(fù)合材料采用的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。

目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強(qiáng)度玻璃纖維性價(jià)比較高，因此增長率也比較快，年增長率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報(bào)道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強(qiáng)酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，中國已經(jīng)實(shí)用化的高性能樹脂基復(fù)合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維三大增強(qiáng)纖維中，只有高強(qiáng)度玻璃纖維已達(dá)到國際先進(jìn)水平，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達(dá)500噸。

碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運(yùn)動(dòng)器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計(jì)為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。中國的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達(dá)20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價(jià)格偏高等。

20世紀(jì)80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運(yùn)輸帶、體育運(yùn)動(dòng)器材等。

超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達(dá)國家的極大興趣和重視。

熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達(dá)到180萬噸左右。中國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點(diǎn)，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。中國的產(chǎn)量為18萬噸，進(jìn)口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進(jìn)荷蘭Atlac系列強(qiáng)耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復(fù)合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。

1971年以前中國的熱固性樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號(hào)的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機(jī)組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機(jī)、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，中國熱固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運(yùn)輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險(xiǎn)杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機(jī)、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。

熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強(qiáng)粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收 利用的優(yōu)勢，該品種的復(fù)合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達(dá)國家熱塑性樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%以上。

高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動(dòng)皮帶保護(hù)罩等。

滑石粉填充的PP具有高剛性、高強(qiáng)度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪?qiáng)PP在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動(dòng)剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

云母復(fù)合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價(jià)格等特點(diǎn)，利用云母/聚丙烯復(fù)合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護(hù)圈、擋板罩、車門護(hù) 欄、電機(jī)風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。

中國的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究開始于20世紀(jì)80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強(qiáng)材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復(fù)合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達(dá)國家尚有差距。

中國復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點(diǎn)問題。

復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強(qiáng)材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復(fù)合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費(fèi)量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。

中國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點(diǎn)、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點(diǎn)、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。

中國玻璃纖維70%以上用于增強(qiáng)基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進(jìn)國家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展紗類、機(jī)織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)材料的新發(fā)展。

一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機(jī)用復(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機(jī)翼部件、垂直尾翼、機(jī)頭罩等。中國未來20年間需新增支線飛機(jī)661架，將形成民航客機(jī)的大產(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復(fù)合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級(jí)娛樂耐用消費(fèi)品在歐美有很大市場，由于中國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復(fù)合材料特有的優(yōu)點(diǎn)仍有發(fā)展的空間。

國內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在橋梁上和在房屋補(bǔ)強(qiáng)、隧道工程以及大型儲(chǔ)倉修補(bǔ)和加固中市場廣闊。

重點(diǎn)發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學(xué)回收（熱裂解）和能量回收，加強(qiáng)技術(shù)路線、綜合處理技術(shù)研究，示范生產(chǎn)線建設(shè)，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應(yīng)用、在拉擠制品中的應(yīng)用以及在SMC/BMC模壓制品中的應(yīng)用和典型產(chǎn)品中的應(yīng)用。

21世紀(jì)的高性能樹脂基復(fù)合材料技術(shù)是賦予復(fù)合材料自修復(fù)性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強(qiáng)度、高濕熱環(huán)境下使用的復(fù)合材料為重點(diǎn)，構(gòu)筑材料、成型加工、設(shè)計(jì)、檢查一體化的材料系統(tǒng)。組織系統(tǒng)上將是聯(lián)盟和集團(tuán)化，這將更充分的利用各方面的資源（技術(shù)資源、物質(zhì)資源），緊密聯(lián)系各方面的優(yōu)勢，以推動(dòng)復(fù)合材料工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。