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玻璃纤维
一种无机非金属材料
玻璃纤维（Fiberglass）是一种性能优异的无机非金属材料，以玻璃为原料经高温熔制、拉丝、纺纱、织布等工艺制造而成的，是二氧化硅以及金属氧化物组成的硅酸盐类混合物。现代玻璃纤维工业化奠基于20世纪30年代，其优点是强度高、耐磨损、抗腐蚀、绝缘性能优良、热稳定性好，但热传导性很差，耐磨性也较差，主要按玻璃原料、单丝直径和纤维形态等方式对其进行分类。玻璃纤维的制备工艺一般有坩埚拉丝法、池窑拉丝法、气流吹拉法和滚筒法等，广泛应用于复合材料中的增强材料、电气绝缘材料、过滤材料、绝热保温材料以及其他工业材料等领域。
基本信息
中文名
玻璃纤维
英文名
Fiberglass
别名
玻纤
CAS编号
65997-17-3
外观
表面光滑的圆柱体
水溶性
不溶于水
EINECS号
266-046-0
历史沿革
最早的玻璃纤维是大自然的杰作，风袭把熔岩的前缘吹散成细丝般的物质，这种现象在世界上许多地方都可以看见，例如1906年在夏威夷 Kilauea 火山和 Vesuvius 火山所见到的现象。约公元250年之前，古叙利亚、希腊和埃及的玻璃工匠就从加热的玻璃棒中牵引出纤维来，并且知道当把将其置于制件表面或母体之中保存下来，或者通过再加热及工具加工等办法进行处理，使之成为精致的装饰品。
在十六和十七世纪，意大利和罗马的玻璃工匠开始研究使用类似的玻璃纤维制作工艺。在1650~1720年间，英、德、法等国的玻璃生产者也创造新的拉制出玻璃纤维的方法。随着玻璃工艺的发展，那个时期人们开始尝试着从玻璃中制成纤维，然而未能继续深入，缺乏相应的技术，玻璃纤维工业在后期才发展起来。
现代玻璃纤维工业化奠基于20世纪30年代，1938年，美国欧文斯·伊利诺（Owens-Illinois）玻璃公司和康宁（Corning）工厂联合组成了欧文斯·康宁（Owens-Corning）玻璃纤维公司，这是世界上第一家玻璃纤维企业，标志着一个新工业部门的产生。1939年，日本“东洋纺绩株氏会社”开始工业化生产玻璃纤维，1940年，美国发表了最早的E玻璃纤维专利，自此，玻璃纤维进入长期的发展阶段。
20世纪50年代，美国在玻璃纤维生产方面取得了重要突破。1958年~1959年间，歇文斯·康宁公司和匹兹堡（Pittsburgh）平板玻璃公司相继建成了池窑拉丝工厂。池窑拉丝技术的兴起，是玻纤行业历史上具有划时代意义重大事件，玻纤行业由原来采用坩埚、以纺纱类产品为主的传统工艺，逐渐向用池窑和孔漏板拉制这两种工艺方式进行转变，大幅提高了玻纤的产量与效率。
欧文斯·康宁玻璃纤维公司以及其它制造商通过不断改进工艺和技术，使玻璃纤维的质量和性能不断提高，随着技术的发展和不断的创新，玻璃纤维开始在建筑、汽车、飞机等工业领域进行大规模使用，并成为一个颇有潜力的新型材料。
组成和结构
结构
关于玻璃结构有很多种假设，其中“微晶结构”与“网络结构”是最能反应真实情况的两种假设。“微晶结构”理论提出了一种新的观点，即“玻璃”是一种由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”构成的、具有高形变特征的晶体，“微晶子”间存在着一层由硅酸盐过冷溶液填充的无定形过渡层。“网络结构”假设认为，玻璃是由二氧化硅四面体，铝氧四面体或硼氧三面体构成的三维无序网状结构，结构中的间隙被 Na、K、Ca、Mg等金属离子所填满。二氧化硅四面体的立体网络结构是决定玻璃性能的基础，Na、Ca等金属阳离子，被称作网络改性物。
化学组成
玻璃纤维是由几种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离子结构物质，主要成分是二氧化硅以及和钠、钾的一价氧化物、钙的二价氧化物、铝的三价氧化物等，适量混有作为上述氧化的副产品的碳酸，熔融，急冷凝固后，得到无定形的产品。二氧化硅作为玻璃的主体成分，其作用是在玻璃中形成基本骨架，金属氧化物的作用是改善制备玻璃纤维的工艺条件和使玻璃纤维具有一定的特性。玻璃纤维化学成分的制定要满足其理化性能和制造工艺的要求。
主要分类方法
按玻璃原料成分
- 无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）：无碱玻璃纤维含碱量小于 0.5% 或0.7%，是制作玻璃纤维增强复合材料的首选，使用硅酸岩玻璃为原材料，然后加入铝、硼等元素的金属氧化物得到的。这种玻璃纤维具有良好的强度，同时也表现出良好的电绝缘性能、化学稳定性和耐热性能等，因此被广泛应用于玻璃钢、工程材料、橡胶等领域。
- 中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）：中碱玻璃纤维是一种特殊的玻璃纤维，通过将其他金属或化合物添加到玻璃密料中来制作，碱金属氧化物含量在 11.5%~12.5%。中碱玻璃纤维强度、耐热性和电绝缘性均略差于无碱玻璃纤维，但具有更高的耐酸性能，通常应用于需要抵御强腐蚀的领域，价格较便宜。
- 高碱玻璃纤维（A玻璃纤维）：高碱性玻璃纤维的化学成分中，金属氧化物的比例在14%-17%之间，由于该玻璃钢的碱含量高，所以其力学性能、耐水性和耐酸性能都比较差，但其原料来源方便，成本低廉。
按单丝直径
玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种，其直径值以微米为单位：粗玻璃纤维，单丝直径在30微米以上；初级玻璃纤维，单丝直径在20微米以上；中级玻璃纤维，单丝直径在10~20微米之间；高级玻璃纤维（纺织纤维），单丝直径在3~10微米之间；超级玻璃纤维，单丝直径在4微米以下。
按纤维形态
- 连续玻璃纤维：连续玻璃纤维主要采用漏板法的拉丝工艺制成，将熔化的玻璃液体从漏板处的小孔中排出，然后在外力的作用下，将其拉引成无限延伸的无机纤维。可供纺织加工成玻璃纱、布、带或无纺、少纺制品等，由于连续纤维基本都要经过纺织加工，所以又称纺织玻璃纤维。
- 定长玻璃纤维：定长玻璃纤维的长度是有范围的，一般为300~500毫米左右，利用高压气流吹拉或滚筒法等方法，将熔融玻璃液拉成长短不均的纤维，即所谓的长棉。可做成毛纱并加工成毛纱织物，也可做成薄毡，用作防水材料、过滤材料及隔热材料等。
常见玻璃纤维化学成分（单位：%，质量分数）
组分 | E玻璃 | C玻璃 | A玻璃 | S玻璃 | AR玻璃 | D玻璃 |
SiO2 | 55.2 | 65 | 72 | 65.0 | 71.0 | 70 |
Al2O3 | 14.8 | 4 | 2.5 | 25.0 | 1.0 | 1 |
B2O3 | 7.3 | 5 | 0.5 | - | - | 25 |
MgO | 3.3 | 3 | 0.9 | 10.0 | - | 1 |
CaO | 18.7 | 14 | 9.0 | - | - | 2 |
Na2O | 0.3 | 8.5 | 12.5 | - | 11 | - |
K2O | 0.2 | - | 0.5 | - | - | - |
Li2O | - | - | - | - | 1 | 1 |
Fe2O3 | 0.3 | 0.5 | 0.5 | - | 微量 | - |
TiO2 | - | - | - | - | - | - |
ZrO2 | - | - | - | - | 16.0 | - |
F2 | 0.3 | - | - | - | - | - |
特点
优点
- 抗拉强度高，直径愈细，强度愈高，与树脂亲和性好、成本低；
- 轻质，相对于金属材料，玻璃纤维的比重较轻，可以减轻整体重量，使产品更易于运输和安装；
- 有弹性，无屈服点，延伸率小，约为2%，尺寸稳定性好；
- 热稳定性较好，在300℃时，短时间内性能不受影响，24h 后强度下降20%；
- 高强度，玻璃纤维的强度比钢铁还要高，能够承受重载荷和高强度冲击；
- 电气绝缘性好，玻璃纤维是良好的电绝缘材料，能够在高温和高压环境下保持稳定性。
缺点
- 硬度过高而塑性极差导致高磨损率，热传导性也很差；
- 耐曲挠性差，密度大，吸湿性低；
- 低拉伸弹性模量、操作时对磨损敏感、相对低的抗疲劳性能；
- 对静电疲劳敏感，即不能长时间承受静态载荷；
- 耐磨性差，弯曲强度较低。
相关性能
物理性能
外观和密度
玻璃纤维的密度与其他纤维的比较见下表，长玻璃纤维的密度比一般天然纤维有机纤维的密度都高。玻璃纤维的外观呈表面光滑的圆柱体，横截面几乎都是完整的圆形，这样有利于提高玻璃纤维的堆密度。
不同纤维的密度
纤维种类 | 羊毛 | 蚕丝 | 棉花 | 人造丝 | Kevlar-49 | 尼龙 | 碳纤维 | 石墨纤维 | 玻璃纤维 | |
无碱 | 有碱 | |||||||||
密度／(g/cm³) | 1.08~1.33 | 1.3~1.45 | 1.5~1.6 | 1.5~1.6 | 1.4 | 1.14 | 1.4 | 2.0 | 2.6~2.7 | 2.4~2.6 |
直径和长度
玻璃纤维制造时，可以将其拉伸成较长的细丝，也可以剪裁成几毫米长的短纤维，有连续玻璃纤维、短切玻璃纤维和磨碎纤维等，短切纤维长度通常为3~25毫米，其长度可以根据具体需要进行调整。玻璃纤维长度对制品性能有一定影响，通常在保证纤维均匀分布的条件下，纤维越长，制品性能越好，较长的玻璃纤维能帮助加强材料的强度、刚度等性能。
玻璃纤维单丝的常用直径从几到几十微米，由于单丝直径的差别，不但造成了纤维各项特性的差异，还会对生产工艺、产量及成本产生一定的影响。一般5~10微米的纤维作为纺织制品使用，10~14微米的纤维做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。玻璃纤维的直径和长度对玻璃纤维的强度的影响较大。
抗拉强度
玻璃纤维的直径和长度直接影响其力学性能，在相同的拉丝工艺条件下制得的玻璃纤维，直径越小，抗拉强度越高。测试结果见下表。
玻璃纤维的直径对抗拉强度的影响
直径/μm | 4 | 5 | 7 | 9 | 11 |
抗拉强度/MPa | 3000-3800 | 2400-2900 | 1750~2150 | 1250~1700 | 1050-1250 |
玻璃纤维的直径越细，它的强度就越高，扭曲性也就越好。这主要是因为，随着纤维直径的减小，它的表面裂纹就会更少，更小，所以它的抗拉强度会随着纤维直径的减小而迅速增加。由于随着纤维直径和长度的减小，纤维中的微裂纹会相应减少，因而玻璃纤维的强度会随着纤维直径和长度的增加而减小。
玻璃纤维的长度和直径对抗拉强度的影响
长度/mm | 直径/μm | 抗拉强度/MPa |
5 | 13 | 1500 |
20 | 12.5 | 1210 |
90 | 12.7 | 360 |
其他相关性能
不同玻璃纤维的性能
有碱纤维A | 化学纤维C | 低介电纤维D | 无碱纤维E | 高强度纤维S | 粗纤维R | 高模量纤维M | |
拉伸强度／GPa | 3.1 | 3.1 | 2.5 | 3.4 | 4.58 | 4.4 | 3.5 |
弹性模量／GPa | 73 | 74 | 55 | 71 | 85 | 86 | 110 |
延伸率／% | 3.6 | - | - | - | 3.37 | 4.6 | 5.2 |
密度／(g/cm) | 2.46 | 2.46 | 2.14 | 2.55 | 2.5 | 2.55 | 2.89 |
比强度／[GPa/(g/cm)] | 1.3 | 1.3 | 1.2 | 1.3 | 1.8 | 1.7 | 1.2 |
比模量／[GPa/(g/cm)] | 30 | 30 | 26 | 28 | 34 | 34 | 38 |
热膨胀系数／(10/K) | - | 8 | 2～3 | - | - | 4 | - |
折射率 | 1.52 | - | 1.55 | 1.52 | 1.54 | - | |
损耗角正切值 | - | - | 0.0005 | 0.0039 | 0.0072 | 0.0015 | - |
相对介电常数／Hz | - | - | 3.8×10 | 6.11×10 | 5.6×10 | 6.2×10 | - |
体积电阻／μΩ·m | 10 | - | - | 10 | - | - | - |
化学性能
除了氢氟酸，浓碱，浓磷酸以外，玻璃纤维对各种化学物质及有机溶剂均有较好的化学稳定性，而化学稳定性在很大程度上决定了不同纤维的使用范围。有碱纤维具有良好的抗酸性能，而无碱纤维则具有良好的抗水性能，但抗酸性能很差；中碱的玻璃纤维与无碱的玻璃纤维在抗弱碱溶液腐蚀方面具有相近的特性。
二氧化硅和碱金属氧化物在玻璃纤维中的含量对其化学稳定性有很大影响。随着二氧化硅的含量的增加，玻璃纤维的化学稳定性、耐酸性（提高二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆或二氧化钛的含量）和耐碱性（加入氧化钙、二氧化锆和氧化锌）都会得到改善。在玻璃纤维中添加三氧化二铝、二氧化锆等氧化物，还可以增强其耐水性，但是碱金属氧化物会让其化学稳定性变得更差，在水环境中，因为玻璃纤维中的碱分的溶出，还会造成其强度的降低。
制备工艺
连续玻璃纤维制备
坩埚拉丝法（一步法）
坩埚拉丝法的生产过程主要包括了两个方面：一是将玻璃制成玻璃珠，二是在坩埚中进行拉丝，因此也被称为玻璃珠法。这种方法使用了单一的坩埚构成一条生产线，它可以对工艺参数和种类进行灵活的调整，应用在不同的条件下。其流程是，根据纤维质量要求将砂、石灰石、硼酸和其它玻璃原材料按照一定的比例进行干燥混合，然后倒入熔化炉中进行熔融，熔融后的玻璃流入造球机，形成可用于拉伸的玻璃球。将制得的玻璃珠用热水冲洗，去污，筛选，然后用坩埚加热，然后用高速旋转的拔丝机拉丝制成直径很细的玻璃纤维。
玻璃球法制备工艺
池窑拉丝法（两步法）
池窑拉丝法，又称直接熔融拉丝法，是一种新型的连续玻璃纤维制备工艺方法。它将玻璃混合料直接放入熔窑中熔融后，通过拉制成不同数量的连续玻璃纤维。相比于坩埚拉丝法，池窑拉丝法省去了制球工艺，简化了其余的流程，效率高，容量大，生产能力更强，可实现自动化集中控制，制得的产品质量稳定。此方法适用于采用多孔大漏板生产粗玻璃，并且回收废产品更加容易。
定长玻璃纤维制备
气流吹拉法
气流吹拉法采用的是一种新技术，它通过高速喷入的高温蒸气或压缩空气，将从漏板中溢出的玻璃液体以细流股的形式拉成一定长度的玻璃纤维，它的成形原理与连续玻璃纤维差不多，不同之处在于，它利用气体和纤维之间的摩擦来取代传统的拉丝机进行拉丝。成型温度和粘度范围介于连续纤维与立吹玻璃棉之间，调整孔径、漏板温度和气流速度等工艺参数，可以生产各种纤维产品，例如薄毡或毛纱等。
滚筒法
滚筒法利用高速旋转的大滚筒与其周围挡板所形成的空气流，在浸润剂的配合下，把加热后的玻璃丝粘在滚筒的表面，从而把玻璃丝拉成一定的长度玻纤。再经铺毡机制成定长纤维薄毡，或经螺旋筒空气加捻生产定长纤维毛纱，这种方法又称舒勒法，安哥拉法。
移动炉法
移动炉法是指将拉丝炉沿着大滚筒做轴线方向的往复运动，这样就可以让纤维以一个固定的交叉角缠绕在滚筒上，当它的厚度到达某一程度之后，就可以把纤维层给剪掉，然后将其拉出来，这样就形成了一个交错网络状的半成品，然后再经过浸胶和烘干，就可以聚合成一个有固定宽度的薄毡。这种工艺具有设备简单、使用方便等优点，但是所制得的纤维尺寸比较大，而且不能进行连续生产。
安全防护
危险性
玻璃纤维可能对人体健康产生不良影响，主要表现在以下两个方面。首先，碎裂的玻璃纤维会对皮肤和呼吸道造成伤害，可能出现瘙痒、咳嗽、流血、发炎等症状。由于玻璃纤维精细且质地轻硬，因此在拆解、碎裂的过程中容易产生飞散的短纤维，污染空气并威胁工人健康。与石棉不同的是，玻璃纤维不会分裂成更小的纤维，但仍可能对皮肤和黏膜造成损伤。其次，在制作过程中添加的聚四氟乙烯抗磨剂和已二酸二异丁酚增塑剂等成分也有可能对人体健康产生危害。使用时应避免直接接触玻璃棉或穿着接触过玻璃纤维的衣物，以减少受到玻璃纤维的危害。
玻璃纤维原料中含润滑油和树脂型固色剂，其中树脂型固色剂含有甲醛，所以上料过程中可能接触到甲醛、润滑油；坩埚炉在加热过程产生噪声和高温；拉丝机在拉丝过程中产生玻璃纤维棉粉尘和噪声；纺纱机在捻线合股工艺过程中产生玻璃棉粉尘和噪声；包装入库过程产生极少的玻璃棉粉尘。
概括来说，在玻璃纤维生产制造过程中存在多种危害，包括皮肤过敏、粉尘毒物、辐射热和噪声等。调查结果显示，其中最大的危害是皮肤刺激过敏，可能是加工中使用的浸润剂所导致。玻璃纤维的原材料粉碎、配料和运输会产生大量粉尘，若附着在皮肤和衣服上，难以发现和脱落，会对皮肤造成刺痛和感染。浸润剂稀释及使用时还具有刺激性气味和腐蚀性，空气中可能含有毒性气体。另外，熔化炉会释放辐射热和眩目光线，对人体造成伤害，而电机、鼓风机和纺织车间则是主要的噪声来源，需要采取控制和保护措施。
防护措施
在日常生活中，人可能通过呼吸、摄入或皮肤接触而暴露在玻璃纤维中。接触玻璃纤维的工作人员应穿戴防护服、手套和带侧盾的安全眼镜，以及颗粒防护口罩。非职业暴露，如在家里、办公室或学校，可能会因含玻璃纤维材料的状况和运动以及建筑物或房间内的气流而有所不同。对玻璃纤维粉尘必需采取综合措施，一切防护设计应使粉尘减少到合适浓度以下。个人防护用防护衣、眼罩等，呼吸器仅能作为非固定操作的临时预防措施。接触玻璃纤维工人每年作预防性体检一次，检查重点是皮肤及呼吸系统，有过敏性皮炎，肺部有严重器质性病变者不宜接触玻璃纤维。
为了防止在玻璃纤维生产过程中引起的危害，需要采取一系列的安全措施。例如：带橡胶手套和涂护肤膏可以预防皮肤过敏，上下班要更换工作服、洗热水澡以及定期用高温水洗涤工作服使玻璃纤维缩短脱落等措施也是必需的。在拉丝等生产中，要带防护眼镜，被玻璃纤维刺入后，可用胶布反复粘贴。此外，在织机、落纱处应该增加除尘设备，加强通风，职工应穿紧口工作服，佩戴防尘口罩和帽子等。远离熔化炉，使用吸热玻璃隔离炉和操作间等方法也有助于减少辐射热的危害。同时，在浸润剂稀释及使用岗位应安装局部排风设备，保持通风换气，降低空气中的毒性气体含量。为使非噪声岗位不接触噪声，应合理安排玻璃纤维生产工艺流程，使粉碎、融化、纺织车间相对独立并留有一定空间。
主要用途
电气绝缘材料
玻璃纤维的绝缘性能优良，具有优异的电绝缘性能，所以可以作为一种绝缘材料，用于电气设备的隔离、绝缘和防护，例如可以制成电子电缆。玻璃纤维还可以用于制造印刷电路板等电子元器件，其高强度、耐高温、化学稳定性以及良好的绝缘性等优良性能，使其成为电子电气领域的理想材料，在该领域应用十分广泛。
复合增强材料
玻璃纤维增强塑料又称玻璃钢，是玻璃纤维和树脂的复合材料。玻璃纤维和树脂各有优缺点，玻璃纤维耐较高温度、化学稳定性好、抗拉强度大，但较脆，而树脂可以塑制成型，有性、耐侵蚀、比小，但强度低，两者合在一起互相弥补缺点，成了一种高性能材料。玻璃纤维复合材料可以制成各种车身构件，例如前护板、引擎罩、车门、排气管等，可提高结构强度和降低重量。除此之外，也广泛应用于航空领域，例如制造飞机机翼、机身、尾翼等部件，其轻质高强的特性可以大大减少飞机的重量和燃油消耗。
过滤材料
玻璃纤维布可制成多种过滤材料，例如做炭黑的过滤袋，水泥工业回转窑排气的过滤。玻璃纤维材料表面光滑，对流体阻力小，耐高温，过滤物又容易落拂，因此是效率较高的优良过滤材料。基于化学稳定性好、过滤效率高，玻纤制品也被用于润滑油、重水、饲料乃至血浆等液体的过滤净化。
其他工业材料
玻璃纤维纺织制品的表面涂塑或涂胶，可制成被覆材料，经被覆处理后，可增强耐磨性、柔韧性及强度，更利于使用。玻璃纤维作为基材的防水材料，具有防水等级高、使用寿命长、节约沥青、施工方便等特点，也属优质绝热材料，能耐高温，是工业管道、热力设备和建筑绝热主体材料之一，是建筑领域中的新型材料，由于其具有轻便、透明、隔热等特性，因此可以有效地节省建筑材料和降低建筑成本。
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