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玻璃纤维基础知识-无碱与中碱玻璃纤维区别分析
作者:伟乐环保所有权 发布于:2012-3-13 22:16:26 点击量:

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,它是以天然矿石为原料,按设计的配方进行配比后,进行高温熔制、拉丝、络纱、织布等工序最后形成各类产品。具有强度大,弹性模量高,伸长率低,电绝缘性好、耐腐蚀等优点,通常作为复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料等,广泛应用于国民经济的各个领域。
    玻璃纤维的分类方法很多。一般可从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观、生产方法及纤维特性等方面进行分类。以玻璃原料成分分类,是目前最为通俗的一种方法,主要用于连续玻璃纤维的分类。以不同的碱金属氧化物含量来区分,碱金属氧化物一般指氧化钠、氧化钾,由纯碱、芒硝、长石等物质引人。碱金属氧化物是普通玻璃的主要组分之一,其主要作用是降低玻璃的熔点。但玻璃中碱金属氧化物的含量愈高,它的化学稳定性、电绝缘性能和强度都会相应降低。因此,对不同用途的玻璃纤维,要采用不同含碱量的玻璃成分。从而经常采用玻璃纤维成分的含碱量,作为区别不同用途的连续玻璃纤维的标志。根据玻璃成分中的含碱量,可以把连续纤维分为如下几种:
    无碱纤维(通称E玻璃):R2O含量小于0.8%:是一种铝硼硅酸盐成分。它的化学稳定性、电绝缘性能、强度都很好。
    中碱纤维(C玻璃):R20的含量为11.9%-16.4%,是一种钠钙硅酸盐成分,因其含碱量高,不能作电绝缘
材料,但其化学稳定性和强度尚好。
    高碱纤维:R2O含量等于或大于15%的玻璃成分。一般采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成。现在国家已经禁止生产此类产品。
    无碱和中碱玻璃纤两类产品的产量占目前玻纤总产量的98%以上,是用途最广泛的两类产品,在玻纤业内,玻璃纤维就泛指无碱和中碱产品,下面简要从性能、生产工艺和应用领域方面对二者做简单对比。
    1 性能比较
    1.1力学性能
    玻璃纤维纱线的强度取决于单纤维的强度,单纤维的强度与其化学组成相关。国际上都是以新生态纤维的强度来代表玻璃的强度,所谓新生态纤维是指玻璃熔体流经拉丝漏板漏嘴后刚形成的纤维。此时的纤维尚未遭受空气中水分的侵蚀,纤维表面微裂纹的数量和尺寸都极小,此时测得的强度较真实。表2给出了无碱、中碱2种玻璃的新生态纤维拉伸强度。

    无碱玻璃的强度高于中碱玻璃。影响玻璃强度的因素很多,主要有化学成分、纤维直径、存放时间及环境等。对于实际生产中的玻璃纤维产品来说,其强度除与上述因素有关外还与玻璃熔化质量、成型工艺及装备、浸润剂的种类和品质有很大关系。
    弹性模量和断裂伸长率也是反映材料性能的重要指标,玻璃纤维弹性模量高、伸长小、并且没有塑性伸长,这是玻璃纤维的特性。弹性模量和断裂伸长率主要取决于玻璃成分,与纤维直径关系不大。

    1.2化学稳定性
    化学稳定性是指玻璃抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力。通常以受介质侵蚀前后的质量损失、析出的碱量及进入侵蚀介质中的玻璃组分、强度损失和直径减少率等指标来衡量。

   无碱玻璃在水中的失重和析碱量都低于中碱玻璃,表明无碱玻璃的耐水性优于中碱玻璃。
    在酸性溶液中,中碱玻璃的失重远低于无碱玻璃,说明中碱玻璃的耐酸性明显优于无碱玻璃。
    无论是失重还是溶出硅离子浓度,无碱玻璃都高于中碱玻璃,可以看出中碱玻璃的耐碱性略好于无碱玻璃。


  2 生产工艺比较
    目前无碱和中碱玻纤的生产工艺大体分为两种,一种是池窑法,另一种是坩埚法。以下就原料配方及原料种类、熔制工艺和拉丝成型三个主要工艺环节加以简单比较。
    2.1玻璃配方及原料种类
    无碱成分是指碱金属氧化物含量小于1%的硼铝硅酸盐玻璃成分,以SiO2、Al2O3、CaO三元系统为基础,国际上通常叫做“E”玻璃。最初是为电气应用研制的,但今天无碱玻璃纤维的应用范围已远远超出了电气用途,成为一种通用配方。表6给出了目前国际通用的无碱玻璃配方。

    无碱玻璃纤维的主要原料为:叶腊石,引入Al2O3和Si02;硼钙石,引入B2O3和CaO;石灰石,引入CaO。辅助原料:纯碱,引入R2O3;芒硝,作为助熔剂,同时引入R20;萤石,助溶剂,同时引入CaO和F-。
    中碱玻璃成分是在Na20—CaO—SiOz三元系统基础上发展起来的钠钙硅酸盐玻璃,1964年我国中碱玻璃5#成分投入工业生产,因其具有较好的化学稳定性和力学性能,至今仍是我国中碱玻璃的通用成分。

    中碱玻璃的主要原料为:石英砂,引入SiO2;钠石,引入Si02、A1203、Na20;白云石,引入CaO和Mg方解石,主要引入CaO FezO3;纯碱,主要引入R20。辅助原料为:萤石,助溶剂,同时引入CaO和F-;硝酸钠,助溶剂,同时引人Na2O;氧化砷,氧化剂,引人As2O3。
    2.2熔制工艺
    无碱和中碱玻璃的熔制主要采用单元窑和马蹄焰窑两种窑型,单元窑一般应用于无碱池窑拉丝工艺,马蹄焰窑一般作为纤维用玻璃球窑,也有少数作为中碱池窑拉丝工艺的窑型。
    目前池窑直接拉丝法生产的无碱玻纤产量已超过玻纤总产量的70%,池窑拉丝工艺已经成为无碱玻纤的主要生产工艺。无碱池窑拉丝用窑为单元窑,它是一种窑池狭长,用横穿炉膛的火焰燃烧的窑炉,通常是用金属换热器对热能进行回收利用。在单元窑内的玻璃熔化、澄清行程长,比其他窑型在窑内停留时间长,适合熔制难熔和质量要求高的玻璃。无碱单元窑的主要燃料为天然气、重油和液化石油气。表8给出了无碱池窑拉丝用单元窑的主要技术指标。

    中碱玻璃纤维目前以坩埚法生产为主,约占中碱产品总产能的75%,2008年中碱玻纤的产量约为47万吨,其中池窑法12万吨,坩埚法35万吨。中碱坩埚法拉丝是以中碱玻璃球为原料,中间玻璃球是通过玻璃球窑熔制生产的,中碱球窑一般为马蹄焰池窑。马蹄焰窑属蓄热室池窑,蓄热室布置在窑炉前端,火焰覆盖面积大,火焰形状为马蹄型。池窑直接拉丝法生产中碱玻纤近几年也有较快发展,窑型也多为马蹄焰窑,目前全国在产的池窑已有6座。因中碱玻璃含碱量较高,单位玻璃液熔化能耗要低于无碱,可以用热值较低的发生炉煤气为燃料,这就大大降低了生产成本,天然气、重油和液化石油气也中碱玻璃熔制的主要燃料。

   电助熔和鼓泡工艺在无碱单元窑和中碱马蹄焰窑中都已广泛应用,纯氧燃烧技术已经在无碱单元窑上逐步应用,节能效果明显,环保效益显著。
    2.3成型工艺、
    玻璃纤维进入工业化生产以来,所采用的成型工艺方法总的可以分为球法坩埚拉丝和池窑法直接拉丝两大类,目前高档无碱纤维都采用池窑法直接拉丝工艺生产;中碱玻纤以球法坩埚拉丝为主。两种成型工艺位置线基本相同,坩埚拉丝工艺线为单层布置,池窑拉丝工艺位置线为双层布置。中碱球法坩埚拉丝一般采用200—800孔的小漏板。增强型无碱池窑拉丝工艺目前都采用1600—6000孔的大漏板。
    3 应用领域
    玻璃纤维工业经过六十多年的发展,目前有四大类玻纤产品,即增强热固性塑料(FRP)用玻纤材料、增强热塑性塑料(FRTP)用玻纤材料、屋面防水用玻纤材料以及纺织型玻纤材料。
    FRP、FRTP用玻纤材料属于玻璃钢复合材料工业用基材。玻璃钢复合材料工业是玻璃纤维的最大市场,其玻纤用量约占玻纤制品总量的70%-80%。世界玻璃钢复合材料的主要应用领域所占分额分分别为:交通工具29%、建筑工程19%、工业、农业16%、电气/电子13%、其它23%。
    屋面防水用玻纤材料,目前全世界用于屋面防水用材料的玻璃纤维约为40万吨,主要是各种玻纤毡产品。
    纺织型玻纤材料主要应用在电子、电气工业、过滤织物、增强塑料织物、耐高温织物、装饰织物等方面。
    上述四大类玻纤产品都有无碱和中碱产品,总的来说,无碱玻纤比中碱玻纤在品质上略高一档,目前各个应用领域的高档产品都是无碱玻纤,中碱产品在对纤维性能要求相对不高的领域应用较多,如普通缠绕、拉挤和手糊等传统玻璃钢产业。因中碱玻纤的耐酸碱性要好于无碱产品,而广泛应用于化工环境中的各种过滤材料中。
 

 
 
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