正确答案
(一)玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的化学组成主要是SiO2、B2O3、CaO和Al2O3等,它们对玻璃纤维的性能和生产工艺起决定性作用。Na2O和K2O等碱性氧化物为助熔氧化物,它可以降低玻璃的熔化温度和粘度,排除玻璃熔液中的气泡,它们可通过破坏玻璃骨架,使玻璃结构疏松,从而达到助熔的目的,因此Na2O和K2O的含量越高,玻璃纤维的强度,电绝缘性能和化学稳定性等越低。在玻璃组分中加入CaO,Al2O3等,在一定条件下可构成玻璃网络的一部分,并改善玻璃的某些性质和工艺性能。例如以CaO取代SiO2,可降低拉丝温度,加入Al2O3,可提高耐水性。因此正确选择玻璃的成分,不仅可以制备物理化学性能合乎要求的玻璃及玻璃纤维,同时还可以适当简化生产工艺过程,降低生产成本。
(二)玻璃纤维的物理性能
1、外观和比重
玻璃纤维表面是光滑的圆柱体,断面几乎都是完整的圆形。宏观来看,玻璃纤维表面光滑,纤维之间的抱合力非常小,不利于和树脂粘接。但由于玻璃纤维是圆柱状的,因此彼此相靠近时,能堆砌的较为密实,这对于提高玻璃钢制品中玻璃含量是有利的。玻璃钢使用的纤维直径,一般为5~20微米,其比重较有机纤维大得多,但比一般金属比重低,约和铝差不多,所以在航空工业上用玻璃钢代替铝或钛合金已成为可能。此外,无碱玻璃纤维的比重一般比有碱玻璃纤维的要大。
2、玻璃纤维的拉伸强度
玻璃纤维力学性能的最大特点是拉伸强度高,玻璃纤维的拉伸强度比成分相同的块状玻璃高几十倍,例如无碱玻璃的拉伸强度只有40~100MPa,而用它拉出的玻璃纤维强度可达2000MPa,强度提高20~25倍。玻璃纤维的拉伸强度甚至高于合金钢。一般地说,玻璃纤维直径的减小,其拉伸强度会迅速增加。影响玻璃纤维强度的因素
(1)纤维直径和长度对拉伸强度的影响,纤维直径越细,其拉伸强度越高,但在不同的拉丝温度下,直径相同的纤维,其强度也有区别。玻璃纤维的拉伸强度也和纤维的长度有关,随着长度增加,其拉伸强度也会下降。
(2)化学组成对强度的影响,一般含碱量越高,强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。由于高强纤维和无碱纤维成型温度高、硬化速度快及结构键能大等,因此它们好玩儿很高的拉伸强度。
(3)存放时间对强度的影响,当纤维存放一定时间后,其强度会下降,称之为纤维老化。其原因是由于空气中水分的侵蚀,化学稳定性虞美人纤维强度降低较少。
(4)负荷时间对强度的影响,玻璃纤维的强度,随着施加负荷时间的增加,这种现象叫纤维疲劳现象,当环境湿度较高时成为明显。其原因在于吸附作用的影响,即吸附于并渗透到纤维微裂纹中的水分,在外力的作用下,加速了微裂纹的扩展的缘故。此外,玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响,如玻璃硬化速度越快,控制的纤维强度越高。
3、玻璃纤维的弹性
(1)玻璃纤维的延伸率
玻璃纤维的延伸率是指纤维在拉力作用下直至拉断时伸长的百分率,一般玻璃纤维的延伸率为3%左右。(2)玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的弹性模量比其它人造纤维大5~8倍,但比一般金属的弹性模量低的多,因此玻璃钢的刚度较低。对玻璃纤维的弹性模量起主要作用的是其化学组成。实验证明,加入BeO、MgO能提高玻璃纤维的弹性模量,含BeO的高模量玻璃纤维(M),其弹性模量比无碱玻璃纤维(E)提高60%。
4、玻璃纤维的耐磨性和耐折性
玻璃纤维的耐磨和耐扭折性很差,磨擦和扭折很容易使纤维受伤断裂,当纤维表面吸水后,其耐磨、耐折性进一步降低。为了提高其耐磨、耐白发一,可采取适当的表面处理办法。如经0.2%阳离子活性剂水溶液处理后,其纤维的耐磨性将比未处理的提高200倍。经A-172硅烷偶联剂处理后其耐扭折性能可大幅度提高。
5、玻璃纤维的热性能
玻璃纤维的导热性非常小,在室温下,其导热系数为0.027W/(m·k),玻璃棉在温度升至200~300℃时,其导热系数也不超过0.06~0.08W/(m·k),因此玻璃纤维是一种耐高温的隔热材料。玻璃纤维耐热性较高,软化点为550~850℃,其热膨胀系数为4.8×10-6/℃,比热为0.795K·J/Kg。在高温下,玻璃纤维不会燃烧,在220~250℃以下其强度不变。
玻璃纤维的耐热性取决于它的化学成分。当在无碱玻璃成分中加入10~15%的氧化锆、氧化钛或氧化铝,可使玻璃纤维使用温度提高到700~800℃,在30秒短期作用下,耐热性可达1000℃,而石英和高硅氧纤维可高达2000℃。
如果将玻璃纤维加热至250℃以上后再冷却,则强度明显下降,而且温度越高,强度下降越明显。如:
300℃处理24h,强度下降20%
400℃处理24h,强度下降50%
500℃处理24h,强度下降70%
600℃处理24h,强度下降80%
强度下降的程度,与热处理时间有关,玻璃布热处理温度虽然高,但因受热时间短,故强度降低不大。
6、玻璃纤维的电性能
玻璃纤维同玻璃一样,在外电场作用下,因玻璃纤维内的离子产生迁移而导电,玻璃纤维的导电率取决于化学组成、温度和湿度。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的绝缘性好,碱金属离子越多,电绝缘性能越差。玻璃纤维的电阻率随温度的升高而下降,在潮湿的环境中,玻璃纤维表面会吸附一层很薄的水膜,从而降低了表面的电阻率。玻璃纤维的化学组成中,加入大量氧化铁、氧化铝、氧化铜、氧化铋或氧化钒,会使玻璃纤维有半导体性能。在玻璃纤维上涂敷金属或石墨,能获得导电纤维,可消除静电的玻璃钢产品就是根据上述方法制成的。
7、光学性能
玻璃是优良的透光材料,但制成玻璃纤维或其织物后,其透光性能远不如玻璃。玻璃布的透光系数与织物的厚度及密度有关。因为玻璃纤维具有优良的光学性能,故可用作制造透明玻璃钢用于屋面采光材料,可用作制造光导纤维管,它是现代通讯中的主要材料。
(三)玻璃纤维的化学性能
玻璃纤维对各种腐蚀介质(水、蒸汽、弱碱溶液及化学试剂等)的抵抗能力是玻璃纤维化学稳定性的标志。玻璃纤维除氢氟酸(HF)、浓碱(NaOH)、浓磷酸外,对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性,化学稳定性在很大程度上决定了各种纤维的使用范围。
1、腐蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
根据网络结构假设可知,二氧化硅四面体相互连接构成玻璃纤维结构的骨架,是很难与水、酸(H2PO4、HF除外)起反应的,同时在玻璃纤维结构中还有Na+、Ca+、K+等金属离子及SiO2与金属离子结合的硅酸盐部分,当腐蚀介质与玻璃纤维制品作用时,大多是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分;但在浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等作用下,将导致玻璃结构的全部溶解。
2、影响玻璃纤维化学稳定性的因素
(1)玻璃纤维的化学成分
中碱玻璃纤维对酸的稳定性是较高的。但对水的稳定性较差;无碱玻璃纤维和中碱玻璃纤维,以弱碱液对玻璃纤维强度的影响看,二者耐碱性相近。各种玻璃纤维化学成分中的主要成分是SiO2,其次是碱金属氧化物,其化学稳定性视两者含量而定,一般来说,二氧化硅含量多,则化学稳定性高,而碱金属氧化物多则化学稳定性降低。
(2)玻璃纤维表面情况对化学稳定的影响
玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料,但拉制成玻璃纤维后,其化学稳定性远不如块状玻璃,这主要是由于玻璃纤维的表面积大所造成的。
(3)温度对玻璃纤维化学稳定性的影响
温度对玻璃纤维的化学稳定性有很大影响,在100℃以下时,温度每升高10℃,纤维在介质侵蚀下的破坏速度将增加50~150%,当温度升高到100℃以上时,破坏作用更剧烈。