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四川星浩宇复合材料有限公司

 SICHUAN XINGHAOYU COMPOSITE MATERIALS CO., LTD

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玻璃纤维的应用及制备技术
来源:粉体网 | 作者:转载 | 发布时间: 73天前 | 172 次浏览 | 分享到:

引言


随着科技的不断进步，人们对材料性能的要求也越来越高。玻璃纤维作为一种重要的复合材料增强体，以其高模量、轻量化、耐辐照等优异性能在航空航天、汽车、建筑、电子等高端装备制造领域得到了广泛的应用[1]。了解玻璃纤维的制备技术及其应用，对于推动相关产业的发展具有重要意义。


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1、玻璃纤维原料



玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，主要成分为SiO2、Al2O3、CaO和MgO等，约占玻纤组分的90%，主要由叶腊石、高岭土、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石等天然矿物原料引入。通过这些矿物原料按一定的配方磨成矿石粉，加以硼酸、纯碱等化工原料混合，经池窑高温熔制、拉丝等工艺生产制造而成[1,2]。

从玻纤生产成本构成看，叶腊石、石英砂、石灰石等矿石原材料约占成本的21.7%，其中叶腊石约占三分之一，石英砂和石灰石两个之和也占据一定份额。

1.1叶腊石

叶腊石属结晶结构为2：1型的层状含铝硅酸盐黏土矿物，化学结构式为Al2[Si4O10](OH)2。玻纤中使用叶腊石的主要目的是引入Al2O3代替铝粉降低成本，提高玻纤机械强度，其中Al2O3质量分数以16%-22%的中铝叶腊石为佳，Al2O3质量分数过高或过低都对生产工艺有很大影响[3,4]。

1.2高岭土

高岭土在玻璃纤维生产中主要是提供SiO2和Al2O3，欧美国家的玻璃纤维企业，多采用精选或质地好的高岭土而不是叶蜡石作玻纤原料。我国高岭土主要分成:煤系高岭土、非煤系高岭土。其中硬质高岭土中SiO2和Al2O3含量符合玻纤原料要求，通过磁选、浮选等选矿技术降低原料中Fe2O3、TiO2的含量、煅烧工艺降低COD值,硬质高岭土可作为一种质量稳定的优质玻纤生产原料[5]。

1.3石英砂

石英砂又名硅砂，主要成分是二氧化硅，是玻璃、电子及电器等近百种工业产品的重要原料。我国石英矿资源丰富,种类包括天然水晶、石英砂岩、石英岩、粉石英、脉石英、天然石英砂和花岗伟晶岩石英等[6]。

大部分省区都有分布，但我国石英资源分散、以中小型为主。国内石英砂主要产地有:江苏东海、新沂，湖北蕲春，安徽凤阳、蚌埠，广东河源，新疆准东，山东沂南，河北灵寿等。

1.4化工原料

生产玻璃纤维用到的化工原料主要用于制备浸润剂的硼酸、纯碱等。在玻璃纤维生产中，浸润剂能够有效地将纤维单丝粘合成为原丝并在退绕过程中避免纱股间粘结，同时在纤维的各种制造阶段中保护纱股不受磨损；依据成型产品的不同工艺需要，浸润剂赋予纤维某些特殊性，如集束性、短切性、分散性等，能够改善纤维与树脂基材间的相溶性与粘结性等[7]。

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2、玻璃纤维的制备技术



2.1池窑拉丝法

池窑拉丝法是目前玻璃纤维生产的主要方法。该方法将玻璃原料在高温熔炉中熔化成玻璃液，然后通过多孔漏板将玻璃液拉成细丝。池窑拉丝法具有生产效率高、产品质量稳定、成本低等优点，是我国主要的玻璃纤维制备技术[1,8]。

2.1.1原料制备

玻璃纤维的主要原料包括叶腊石、稀土、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石等。这些原料需要经过严格的筛选和处理，以保证其纯度和质量。

2.1.2熔制过程

将原料按一定比例混合后，加入熔炉中进行熔制。熔炉的温度一般在1500℃-1600℃之间，熔制过程中需要不断搅拌，以保证玻璃液的均匀性。

2.1.3拉丝过程

拉丝工序是玻璃纤维生产中至关重要的步骤，直接影响到最终纤维的物理性质、机械性能和生产效率。玻璃液从熔炉中流出后，通过多孔漏板拉成细丝，漏板的孔径和孔数根据所需玻璃纤维的直径和产量进行选择。拉丝过程中需要控制好温度、速度等参数，以保证玻璃纤维的质量。处理过程中的转速变化对玻纤长度影响最大，浆料质量分数与处理时间的影响次之，且二者的影响程度比较接近[9]。

2.1.4捻丝过程[1,10]

捻线工序在玻璃纤维生产中会直接影响到最终纤维产品的机械性能和工艺稳定性，其中原丝经过初捻机的处理，需要实现单股低捻的特性，以便后续的织造工序的加工，而后需要精确控制初捻机的参数，包括捻度、张力、卷绕速度等，以确保所获得的成品纱具有所需的低捻特性。

2.2坩埚拉丝法

坩埚拉丝法是一种传统的玻璃纤维制备方法。该方法将玻璃原料放入坩埚中，在高温下熔化成玻璃液，然后通过人工拉制或机械拉制的方式将玻璃液拉成细丝。坩埚拉丝法具有设备简单、投资少等优点，但生产效率低、产品质量不稳定，基本被大型玻纤生产厂家淘汰[1,8]。

2.2.1原料制备

与池窑拉丝法类似，坩埚拉丝法的原料也需要经过严格的筛选和处理。需要将叶腊石、石英砂、石灰石、硼钙石、纯碱等矿物原料按一定比例混合，制备成配合料。

2.2.2熔制过程

将上述原料放入坩埚中，在高温炉中进行熔制。熔制过程中需要不断搅拌，以防止玻璃液分层。

2.2.3拉丝过程

拉丝过程分为人工拉制或机械拉制玻璃液。机械拉制玻璃液是从下部的漏板漏出，形成液滴。将这些液滴引下，使其凝固，然后集成一束，绕在匀速旋转的绕丝筒上，即可得到集束纤维。绕丝筒的转速决定了玻璃纤维的直径，若使用单孔漏板则可得到单丝纤维。拉丝过程中需要控制好温度、速度等参数，以保证玻璃纤维的质量[9]。

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3、玻璃纤维的特性



3.1高强度

玻璃纤维的强度远高于普通玻璃，其拉伸强度可达到1000MPa以上，是一种优良的结构材料，比许多金属材料还要高。这使得玻璃纤维在增强复合材料中能够承受较大的应力，提高材料的强度和刚度[11]。例如，在汽车制造中，使用玻璃纤维增强塑料可以替代部分金属部件，减轻车身重量的同时，保证车辆的结构强度。

3.2耐腐蚀

玻璃纤维具有良好的耐腐蚀性能，能够在酸、碱、盐等恶劣环境下长期使用。这使得玻璃纤维在恶劣的环境中也能保持稳定的性能，延长产品的使用寿命。在化工、环保等领域，玻璃纤维制品如管道、储罐等，能够承受各种腐蚀性介质的作用，确保生产过程的安全和稳定。

3.3绝缘性好

玻璃纤维是一种优良的绝缘材料，具有很高的电阻率和介电强度。这使得玻璃纤维在电气电子领域得到广泛应用，如制造电线电缆的绝缘层、电子元件的封装材料等[1]。玻璃纤维的绝缘性能可以有效地防止电流泄漏和短路，保证电气设备的安全运行。

3.4耐热性

玻璃纤维具有较高的耐热性，能够在一定的温度范围内保持其性能稳定。一般来说，玻璃纤维的长期使用温度可达到200-300℃，短期使用温度甚至可以更高[1]。

在高温环境下，如航空发动机、工业炉窑等领域，玻璃纤维增强复合材料可以替代部分金属材料，满足高温工作条件的要求。

3.5轻质

玻璃纤维的密度较低，约为2.5-2.7g/cm³，比钢材轻得多，这使得玻璃纤维在同等体积下重量较轻，有利于减轻产品的重量，提高产品的便携性和运输效率。

例如，在航空航天领域，使用玻璃纤维增强复合材料可以显著降低飞行器的重量，提高燃油效率和飞行性能[8]。

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4、玻璃纤维的市场领域



4.1生产玻璃纤维的主要企业

全球玻璃纤维行业主要生产企业自2000年以来，中国玻纤一直处于高速发展阶段，生产规模不断扩大。全球玻纤行业集中度高，已形成较明显的寡头竞争格局，中国巨石、美国欧文斯科宁、日本电气硝子公司（NEG）、泰山玻璃纤维股份有限公司、重庆国际复合材料有限公司（CPIC）、美国JM这全球六大玻纤生产企业的玻纤年产能合计占到全球玻纤总产能的75%以上，我国三大玻纤生产企业的玻纤年产能合计占到国内玻纤产能的70%以上，以中国巨石为代表的中国玻纤企业的迅速崛起，正不断改变着世界玻纤格局。

4.1.1中国巨石

巨石集团有限公司（以下简称“中国巨石”），是中国建材股份有限公司玻璃纤维业务的核心企业，以玻璃纤维及制品的生产与销售为主营业务，是我国新材料行业进入资本市场早，企业规模大的上市公司之一。1999年，中国巨石在上海证券交易所上市。公司拥有浙江桐乡、江西九江、四川成都、江苏淮安（在建）、埃及苏伊士、美国南卡六大生产基地，已建成玻璃纤维大型池窑拉丝生产线20多条，玻纤纱年产能达260万吨；公司玻纤产品品种广泛、品类齐全，有20多个大类3000多个规格品种，主要包括无碱玻璃纤维无捻粗纱、短切原丝、短切毡、方格布、电子布等玻纤产品，能满足6万多种应用。

4.1.2泰山玻纤

泰山玻璃纤维有限公司（以下简称“泰山玻纤”）是中国建材集团所辖中材科技股份有限公司的全资子公司。1997年建成当时国内首条万吨无碱玻纤池窑拉丝生产线，目前公司拥有泰安总部、邹城公司、淄博公司三大生产基地，太原基地在建项目快速推进。其玻纤制品总产能突破140万吨/年，为全球第二大玻璃纤维制造企业。

泰山玻纤主导产品包括各类热固性、热塑性玻纤材料，风电用高强高量系列产品，新一代高频高速线路板(PCB)用低损耗(低介电)超薄玻璃布，超低能耗建筑墙体玻纤基保温装饰一体板制品等，广泛应用于汽车、家电、新能源、化工环保、电子电气、建筑与基础设施、船舶与海洋等国民经济各个领域。

4.1.3重庆国际复合材料有限公司

重庆国际复合材料股份有限公司（以下简称“国际复材”“公司”）成⽴于1991年，是云天化集团旗下玻纤新材料产业板块的重要支柱企业，以研发、生产、销售玻璃纤维及复合材料为核心业务。国际复材下设北美公司、欧洲公司和⾹港公司3家销售⼦公司，在重庆、珠海、常州以及海外的巴⻄、巴林等地建有⽣产基地，玻纤纱年产能突破100万吨，玻纤布年产能达到2亿⽶。

2023年12月26日，国际复材在深圳证券交易所创业板上市，标志着该公司正式进入资本市场。公司玻璃纤维产品品种主要包括⽆碱玻璃纤维⽆捻粗纱、细纱、短切纤维、⽅格布、织物等，产品质量得到合作伙伴的⼴泛认可。

2024年10月8日晚间公司公告显示，国际复材投资约23.04亿元建设“电子级玻璃纤维生产线设备更新及数智化提质增效项目”。项目建成后将形成8.5万吨电子级玻璃纤维的生产能力。

4.2玻璃纤维应用领域

4.2.1建筑领域

在建筑领域，玻璃纤维可以用于增强水泥、石膏板等建筑材料，提高其强度和耐久性。此外，玻璃纤维还可以制成保温材料、防水材料等，为建筑提供更好的性能。

4.2.2工业领域

在工业领域中玻璃纤维主要应用在化工行业、环保领域以及新能源领域。

化工设备经常需要接触各种腐蚀性介质，玻璃纤维增强塑料具有良好的耐腐蚀性，可用于制造化工储罐、管道、阀门等设备。在环保工程中，玻璃纤维可用于制造污水处理设备、废气处理设备等，如玻璃钢脱硫塔、玻璃钢格栅等。风力发电是玻璃纤维的重要应用领域之一，风力发电机的叶片通常由玻璃纤维增强复合材料制成，能够承受强风的冲击和长期的疲劳载荷[8]。

4.2.3电子领域

玻璃纤维可用于制造印刷电路板（PCB）的基材，为电子元件提供支撑和电气连接。此外，玻璃纤维还可用于制造光纤电缆，具有传输速度快、信号损耗低等优点，是现代通信网络的重要组成部分[12]。在家用电器中，玻璃纤维可用于制造电器外壳、电器零部件等。例如，微波炉的门、烤箱的内胆、空调的外壳等都可能使用玻璃纤维增强塑料，以提高其强度和耐热性。

4.2.4交通运输领域[1]

玻璃纤维增强塑料（GFRP）在汽车工业中的应用越来越广泛，可用于制造车身部件、结构件以及功能件等。这些部件能够减轻车身重量，提高燃油效率，同时还能满足汽车对零部件的强度和耐久性要求。

在高速铁路领域，玻璃纤维除用作内部设备和装饰材料外，在高铁枕木等承重结构上的应用也日益增多。此外，地铁、轻轨等轨道交通车辆的车身、内饰件等也会用到玻璃纤维材料。

玻璃纤维及其复合材料在航空航天领域具有重要应用，如飞机的机翼、机身、尾翼等结构件，以及发动机部件、卫星天线、火箭的隔热保温层等。玻璃纤维材料的高强度、轻质、耐高温等特性能够满足航空航天领域对材料的严格要求[1]。

4.2.5体育器材领域

玻璃纤维可用于制造体育器材，如高尔夫球杆、网球拍、自行车车架、滑雪板等。这些器材需要具备高强度、轻质、良好的弹性等特性，玻璃纤维材料能够满足这些要求，提高体育器材的性能。

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5.结论

玻璃纤维作为一种性能优异的无机非金属材料，具有广泛的应用前景。通过不断改进制备技术，可以提高玻璃纤维的性能和质量，进一步拓展其应用领域。在未来的发展中，玻璃纤维将在航空航天、汽车、建筑、电子等领域发挥更加重要的作用。