玻璃纤维

玻璃纤维美国英语)或玻璃纤维英联邦英语)是使用玻璃纤维的纤维增强塑料类型。可以随机排列纤维,将纤维扁平化成一个称为切碎的股垫的床单,或编织成玻璃布塑料基质可以是热固性聚合物基质- 通常是基于热固性聚合物(例如环氧树脂聚酯树脂乙烯基酯树脂)或热塑性塑料的。

碳纤维更便宜,更灵活,它比许多金属强,非磁性,非导电性,对电磁辐射的透明,可以成型为复杂的形状,并且在许多情况下是化学惰性的。应用包括飞机,船只,汽车,浴缸和外壳,游泳池热水浴缸​​,化粪池水箱,屋顶,管道,覆层,骨质外科铸件冲浪板和外门皮肤。

玻璃纤维的其他通用名称是玻璃增强塑料GRP ),玻璃纤维增​​强塑料GFRP )或GFK (来自德语GlasfaserverstärkterKunststoff )。由于玻璃纤维本身有时称为“玻璃纤维”,因此该复合材料也称为玻璃纤维增​​强塑料FRP )。本文将采用“玻璃纤维”的惯例是指完整的纤维增强复合材料,而不仅仅是其中的玻璃纤维。

碳纤维增强聚合物是一种类似的复合材料,其中加固是碳纤维。

历史

玻璃纤维已经生产了几个世纪,但最早的专利授予了普鲁士发明家赫尔曼·哈默斯法尔( Hermann Hammesfahr ,1845- 1914年),于1880年在美国授予。

1932年,伊利诺伊欧文斯 - 伊利诺伊州的研究员杀手在1932年意外发现了玻璃链的大规模生产,他在熔融玻璃和生产纤维的流中指示了压缩空气的喷气式飞机。 1933年首次获得了这种生产这种生产玻璃羊毛的专利。欧文斯于1935年与康宁公司一起加入,该方法由欧文斯·康宁(Owens Corning)改编,以生产其专利的“玻璃纤维”(用“ S”拼写为“ S”)。最初,玻璃纤维是一种玻璃羊毛,带有纤维夹带大量气体,使其可作为绝缘子,尤其是在高温下。

杜邦(Dupont)于1936年开发了一种合适的树脂,用于将玻璃纤维与塑料结合起来,以产生复合材料。现代聚酯树脂的第一个祖先是1942年的氰基树脂。当时使用过氧化物固化系统。通过玻璃纤维和树脂的组合,材料的气体含量被塑料代替。这将隔热特性降低为塑料的典型值,但现在首次将复合物作为结构和建筑材料表现出很大的强度和希望。许多玻璃纤维复合材料继续被称为“玻璃纤维”(作为通用名称),并且该名称也用于含气而不是塑料的低密度玻璃羊毛产品。

欧文斯·康宁(Owens Corning)的雷·格林(Ray Greene)因在1937年生产第一艘复合船而被认为是由于所用塑料的脆性而在当时没有进一步进行的。据报导,俄罗斯于1939年建造了一艘塑料材料的客船,美国的机身和飞机的机翼。第一辆拥有玻璃纤维车身的汽车是1946年的粗壮圣甲虫原型,但该模型没有进入生产。

纤维

用于玻璃纤维的玻璃增援部队以不同的物理形式提供:微球,切碎或编织玻璃布

与用于绝缘的玻璃纤维不同,最终结构要坚固,纤维的表面几乎必须完全没有缺陷,因为这允许纤维达到Gigapascal拉伸强度。如果一块玻璃无缺陷,它将像玻璃纤维一样强。但是,在实验室条件以外的无缺陷状态下生产和维护散装物质通常是不切实际的。

生产

制造玻璃纤维的过程称为裁缝。适合钢筋的玻璃纤维的制造过程使用大型熔炉逐渐融化二氧化矽石灰石高岭土,荧光素, colemanite白云岩和其他矿物质,直到形成液体。然后将其挤出穿过衬套( Spinneret ),它们是非常小的孔(通常为E-Glass的直径为5-25微米,S玻璃为9微米)。

然后,这些细丝用化学溶液尺寸(涂层)。现在,单个细丝被大量捆绑在一起,以提供巡游。细丝的直径以及巡回式丝中的细丝数,确定其重量,通常在两个测量系统之一中表达:

  • 产量,或每磅码(以一磅材料中的纤维码数;因此,较小的数量意味着较重的巡游)。标准收益率的例子为225yield,450yield,675yield。
  • Tex或每公里的克(克多少克1公里的座重量,与产量倒置;因此,较小的数字意味着较轻的骑行)。标准Tex的示例是750TEX,1100TEX,2200TEX。

然后,这些座是直接在复合应用中使用,例如纯正丝状绕组(管道),枪roving(在其中自动枪将玻璃碎成短长度,然后将其掉入树脂射流中,投射到模具的表面上),或在中介步骤中,用于制造织物,例如切碎的链垫(CSM)(由随机定向的小切割纤维制成的纤维均粘合在一起),编织的织物,针织织物或单向织物。

切碎的股垫

切碎的股垫CSM是玻璃纤维中使用的一种加固形式。它由玻璃纤维彼此随机铺设,并由粘合剂固定在一起。

通常使用手衬板技术对其进行处理,其中材料片放在模具上并用树脂刷。由于粘合剂溶解在树脂中,因此材料在湿润时很容易符合不同的形状。树脂固化剂后,可以从模具中取出硬化的产品并完成。

使用切碎的链垫具有玻璃纤维各向同性的面内材料特性。

浆纱

将涂料或底漆应用于巡回演出:

  • 帮助保护玻璃丝处理和操纵。
  • 确保与树脂基质的正确键合,从而使剪切载荷从玻璃纤维转移到热固性塑料。没有这种粘结,纤维可以在矩阵中“滑动”,从而导致局部故障。

特性

单个的结构玻璃纤维既刚性又强,并且沿其轴线均具有强度。尽管可以假定纤维在压缩方面较弱,但实际上只是纤维的长纵横比,使其看起来如此。即,因为典型的纤维长而狭窄,所以它很容易弯曲。另一方面,玻璃纤维的剪切力很弱,即其轴上。因此,如果可以在材料内沿首选方向永久排列纤维的集合,并且可以防止它们在压缩中屈曲,则材料将优先在该方向上强大。

此外,通过将多层纤维置于彼此的顶部,每个层都以各种优选的方向为导向,可以有效地控制材料的整体刚度和强度。在玻璃纤维中,是塑料基质将结构玻璃纤维永久限制在设计师选择的方向上。使用切碎的股垫,这种方向性本质上是整个二维平面。使用编织织物或单向层,刚度和强度的方向性可以在平面内得到更精确的控制。

玻璃纤维组件通常是一种薄的“壳”结构,有时在内部充满结构泡沫,例如在冲浪板的情况下。该组件可能具有几乎任意形状,仅受制造壳的模具的复杂性和公差的限制。

材料的机械功能在很大程度上依赖于树脂(又称矩阵)和纤维的组合性能。例如,在严重的温度条件下(超过180°C),复合材料的树脂成分可能会失去其功能,部分原因是树脂和纤维的键降低。但是,在经历高温(200°C)后,GFRP仍然可以显示出明显的残留强度。

玻璃纤维的类型

玻璃纤维中使用的最常见类型的玻璃纤维是E玻璃,它是铝纤维矽酸盐玻璃,含量小于1%W/W碱氧化物,主要用于玻璃增强塑料。使用的其他类型的玻璃是A玻璃(氧化硼或没有硼的Lkali -lime玻璃),E-Cr玻璃( e -ectrical/ c Hemical reSistance;铝粉矽酸盐矽酸盐,小于1%w/ w碱的矽酸盐氧化物,具有高酸性的氧化物),C玻璃(具有高硼氧化物含量,用于玻璃固定纤维和绝缘材料的碱性石灰玻璃),D玻璃(以低D ielectric常数命名),R-Glass,R-Glass,R-Glass R-Glass,R-Glass (无MGO和CAO的铝矽酸盐玻璃,具有高度机械需求,例如r einfolestion)和S玻璃(无需CAO的铝矽酸盐玻璃,但具有高抗张强度的高MGO含量)。

二氧化矽(二氧化矽)将熔融石英冷却到没有真正的熔点的玻璃中时,可以用作玻璃纤维的玻璃纤维,但有缺点,必须在非常高的温度下使用。为了降低必要的工作温度,将其他材料作为“通量剂”引入(即,降低熔点的组件)。普通的A玻璃(用于“ Alkali-lime”)或苏打石灰玻璃(如所谓的Cullet Glass)是粉碎玻璃的第一类,用于玻璃纤维。电子玻璃(由于初始电气应用而“ E”),是无碱性的,是用于连续丝形成的第一个玻璃制剂。现在,它构成了世界上大部分的玻璃纤维生产,并且也是全球最大的硼矿物消费者。它容易受到氯离子攻击的影响,并且是海洋应用的糟糕选择。当拉伸强度(高模量)很重要时,使用S玻璃(“ S”),因此是重要的建筑物和飞机环氧复合材料(在欧洲称为R-Glass,“ R”作为“ R” )。 C玻璃(用于“耐化学性”)和T玻璃(“ T”用于“热绝缘子”(C玻璃的北美变体)对化学攻击具有抵抗力;两者通常都在吹玻璃纤维的绝缘级中发现。

一些常见玻璃纤维类型的表

材料比重拉伸强度MPA(KSI)抗压强度MPA(KSI)
聚酯树脂(未加固)1.2855 (7.98)140 (20.3)
聚酯和切碎的股垫层压板30%E玻璃1.4100 (14.5)150 (21.8)
聚酯和编织式烘焙层层压板45%E玻璃1.6250 (36.3)150 (21.8)
聚酯和缎子编织布层压板55%E玻璃1.7300 (43.5)250 (36.3)
聚酯和连续的Rovings层压板70%E玻璃1.9800 (116)350 (50.8)
电子玻璃环氧复合材料1.991,770 (257)
S玻璃环氧复合材料1.952,358 (342)

申请

由玻璃纤维制成的低温恒温器

玻璃纤维是一种非常通用的材料,由于其轻巧,固有的强度,耐候性和各种表面纹理。

在1930年代,对纤维增强塑料的开发进行了广泛研究。航空业特别感兴趣。 1932年,欧文斯 - 伊利诺伊州的一名研究人员在熔融玻璃和产生的纤维中指挥压缩空气时,意外发现了一种大规模生产玻璃链的手段。欧文斯(Owens)于1935年与康宁公司合并后,欧文斯·康宁(Owens Corning)改编了生产其专利的“纤维”(一个“ S”)的方法。杜邦(Dupont)于1936年开发了一种合适的树脂,用于将“玻璃纤维”与塑料结合在一起。现代聚酯树脂的第一个祖先是1942年的蓝氧化胺。到那时,使用了过氧化物固化系统。

在第二次世界大战期间,玻璃纤维是作为替代飞机辐射中使用的模制胶合板(玻璃纤维透明的微波炉)的替代品。它的第一个主要民用申请是建造船只和跑车机构,并在1950年代获得接受。它的使用已扩大到汽车和运动设备领域。在某些产品(例如飞机)的生产中,现在使用碳纤维代替玻璃纤维,而玻璃纤维的体积和重量更强。

先进的制造技术,例如预备纤维Rovings,通过纤维增强的塑料扩展了玻璃纤维的应用以及可能的拉伸强度。

由于其RF渗透性和低信号衰减特性,玻璃纤维还用于电信行业覆盖天线。它还可以用来掩盖不需要信号通透性的其他设备,例如设备柜和支撑结构,因为它可以轻松地被模制和涂漆以与现有的结构和表面融合在一起。其他用途包括板式的电绝缘体和电力行业产品中常见的结构组件。由于玻璃纤维的轻巧和耐用性,它通常用于头盔等防护设备中。许多运动使用玻璃纤维防护装备,例如守门员和捕手的口罩。

储油罐

机场的几个大型玻璃纤维坦克

储罐可以由玻璃纤维制成,其容量可达约300。较小的储罐可以用切碎的股垫在热塑性内部储罐上铸造而成,该油箱在施工过程中充当预成型。使用机织垫或细丝伤口纤维制造更可靠的储罐,其纤维取向与内容物在侧壁中施加的箍应力成直角。由于塑料衬里(通常聚丙烯)具有对多种腐蚀性化学物质的抗性,因此这种储罐往往用于化学储存。玻璃纤维也用于化粪池

房屋建筑

加利福尼亚戴维斯的玻璃纤维圆顶屋

玻璃增强的塑料还用于生产房屋建筑组件,例如屋顶层压板,门环绕,户外檐篷,窗户檐篷和窗户,烟囱,烟囱,应对系统以及带有钥匙岩和斜纹的头部。与木材或金属相比,该材料的重量减小和更容易的处理可以更快地安装。质量生产的玻璃纤维砖效应面板可用于复合外壳的构建,并且可以包括隔热以减少热量损失。

油气人造升降系统

杆泵送应用中,玻璃纤维棒通常用于其高抗拉强度与重量比。玻璃纤维棒比钢棒比钢杆更具弹性(较低的模量)比钢的优势,这意味着每次笔触都可以将更多的油从碳氢化合物储罐中提升到表面,同时还要减少泵的负载单元。

但是,如果将玻璃纤维杆保持在张力状态,因为即使将其放置在少量压缩中,它们经常会分开。流体中杆的浮力会扩大这种趋势。

管道

GRP和GRE管可用于各种地下和地下系统,包括:

  • 淡化
  • 水处理
  • 水分配网络
  • 化学加工厂
  • 用来消防的水
  • 冷水
  • 饮用水
  • 废水/污水,市政废物
  • 液化的石油气体

划船

皮划艇由玻璃纤维制成

自1940年代初以来,已经制造了玻璃纤维复合船,1950年以后制造的许多帆船都是使用玻璃纤维上篮工艺建造的。截至2022年,尽管在施工过程中使用了更先进的技术,例如真空袋成型,但仍使用玻璃纤维制成。

施工方法

细丝缠绕

细丝绕组是一种制造技术,主要用于制造开放式(圆柱)或闭合结构(压力容器或储罐)。该过程涉及在男性曼德尔(Male Mandrel)上紧张下的缠绕细丝。曼德斯(Mandrel)旋转,而在马车上的风眼则水平移动,以所需的图案铺设纤维。最常见的丝是碳或玻璃纤维,并在伤口时涂有合成树脂。一旦mandrel完全覆盖到所需的厚度,树脂就可以固化;通常,曼德德尔将其放置在烤箱中以实现此目的,尽管有时使用辐射加热器,而曼德斯(Mandrel)仍在机器中转动。树脂固化后,将移除曼德斯(Mandrel),将其留下空心最终产品。对于某些产品(例如燃气瓶),“ mandrel”是成品的永久部分,形成衬套以防止气体泄漏或作为保护复合材料免受存储液体的障碍。

灯丝绕组非常适合自动化,并且有许多应用,例如管道和小压力容器,无需任何人类干预即可缠绕和固化。用于绕组的受控变量是纤维类型,树脂含量,风角,拖曳或带宽和纤维束的厚度。纤维对最终产物的性质产生影响的角度。高角度“箍”将提供圆周或“爆发”强度,而较低的角度模式(极性或螺旋)将提供更大的纵向拉伸强度。

目前使用此技术生产的产品范围从管道,高尔夫球杆,反渗透膜外壳,桨,自行车叉,自行车轮辋,电源和变速箱,电力杆,压力容器,导弹壳体,飞机机身和灯具和游艇桅杆。

玻璃纤维手工铺铺操作

通常以蜡或液体形式的释放剂应用于选定的模具,以使成品从模具中清除。树脂(通常是2部分的热固性聚酯,乙烯基或环氧树脂)与硬质量混合并应用于表面。将玻璃纤维垫片放入模具中,然后使用刷子或滚筒添加更多的树脂混合物。材料必须符合模具,并且空气不得被困在玻璃纤维和模具之间。施加其他树脂,并可能还有其他玻璃纤维。手动压力,真空或辊子用于确保树脂饱和和完全湿润的所有层,并去除任何空气口袋。除非使用高温树脂,否则必须在树脂开始治愈之前迅速完成工作,除非使用高温树脂,否则该树脂在将零件在烤箱中加热之前才能治愈。在某些情况下,工作覆盖着塑料床单,并在工作中抽出真空以去除气泡,然后将玻璃纤维按在模具的形状上。

玻璃纤维喷漆

玻璃纤维喷涂衬垫工艺类似于手工上篮过程,但在纤维和树脂中的应用中有所不同。喷涂是一种开放式复合材料制造过程,将树脂和钢筋喷涂到模具上。树脂和玻璃可以单独或同时在切碎机枪的组合流中“切碎”。工人将喷雾铺开以压缩层压板。然后可以添加木材,泡沫或其他核心材料,并嵌入层压板之间的核心。然后将零件固化,冷却并从可重复使用的模具中取出。

裁缝操作

裁缝工艺图

Pultrusion是一种制造方法,用于制造强大的重量复合材料。在Pultrusion中,使用手动方法或连续滚动方法(而不是挤出,在材料中推动材料通过模具,将材料通过形成机械拉动。在玻璃纤维裁缝中,将纤维(玻璃材料)从线轴上拉出,并用树脂覆盖它们。然后,它们通常进行热处理并切成长度。以这种方式产生的玻璃纤维可以以多种形状和横截面(例如W或S横截面)制成。

翘曲

玻璃纤维的一个值得注意的特征是,所使用的树脂在固化过程中可能会收缩。对于聚酯,这种收缩通常为5-6%。对于环氧树脂,约为2%。由于纤维没有收缩,因此这种差异可以在固化过程中对零件形状的变化产生变化。树脂设定后的小时,天或几周可能会出现扭曲。

虽然可以通过在设计中对纤维的对称使用来最大程度地减少这种失真,但会产生一定数量的内部应力。如果它变得太大,则形成裂缝。

健康危害

2011年6月,美国国家毒理学计划(NTP)从其关于家庭和建筑物隔热材料以及用于非绝缘产品的所有生物溶剂玻璃羊毛的报告中删除。但是,NTP认为纤维玻璃尘是“合理地预期的,是人类致癌物(某些玻璃羊毛纤维(可吸入))”。同样,加利福尼亚州环境健康危害评估办公室(“ OEHHA”)发布了2011年11月对其命题65列表的修改,仅包括“玻璃羊毛纤维(可吸收和生物抗精华)”。美国NTP和加利福尼亚的OEHHA的行动意味着,根据联邦或加利福尼亚州法律,不再需要针对生物溶质纤维玻璃房屋和建筑物隔热的癌症警告标签。国际癌症研究机构(IARC)在2001年10月对所有用于热和声学绝缘材料常用的玻璃纤维羊毛均重新分类为对人类的致癌性不可分类(第3组)。

人们可以通过呼吸,皮肤接触或目光接触,使工作场所的玻璃纤维接触。职业安全与健康管理局(OSHA)在工作场所设定了玻璃纤维暴露的法定限制(允许的暴露限制),为15 mg/m 3,在8小时的工作日中,在呼吸道暴露中总共设定了5 mg/m 3美国国家职业安全与健康研究所 NIOSH)将3个纤维/cm 3 (直径小于3.5微米的3.5微米和长度大于10微米的3.5微米)设定为3个平均水平,超过8 - 工作日和5 mg/m 3的总限制。

欧盟和德国将合成的玻璃体纤维归类为可能或可能的致癌纤维,但是如果通过特定的测试,则可以免于这种分类。这些分类的证据主要来自有关实验动物的研究和致癌机制。 IARC召集的国际专家小组审查了玻璃羊毛流行病学研究。这些专家得出的结论是:“自1988年IARC专着对这些纤维进行了对这些纤维的评论以来的15年中发表的流行病学研究没有提供任何证据表明肺癌或间皮瘤的风险增加了。在这些材料中,并且总体上没有任何癌症风险的证据。” 2012年对欧洲委员会的健康危害审查指出,以3、16和30 mg/m3的浓度吸入玻璃纤维“没有诱导纤维化或肿瘤,除非瞬时肺部炎症在暴露后恢复后消失。”有毒物质和疾病登记署(“ ATSDR”),国家毒理学计划,国家科学院和哈佛大学的医学和公共卫生学校也对流行病学研究进行了类似的评论,与IARC得出了相同的结论,该学校与IARC得出了相同的结论。没有证据表明职业接触玻璃羊毛纤维的风险增加。

玻璃纤维会刺激眼睛,皮肤和呼吸系统。潜在的症状包括刺激眼睛,皮肤,鼻子,喉咙,呼吸困难(呼吸困难);喉咙痛,嘶哑和咳嗽。科学证据表明,在遵循建议的工作实践时,玻璃纤维可以安全地制造,安装和使用,以减少暂时的机械刺激。这些工作实践并不总是遵循的,玻璃纤维经常被暴露在后来被占领的地下室中。根据美国肺部协会的数据,绝不应在占用区域暴露于玻璃纤维绝缘。

在树脂固化的同时,释放了苯乙烯蒸气。这些对粘膜和呼吸道很刺激。因此,德国的危险物质条例决定了86 mg/m 3的最大职业暴露限制。在某些浓度中,可能会发生潜在的爆炸性混合物。进一步生产GRP组件(研磨,切割,锯)会产生含有玻璃丝和粘性灰尘的细粉尘和芯片,数量足够高,可以影响机器和设备的健康功能。需要安装有效的提取和过滤设备,以确保安全和效率。

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