玻璃纤维及其应⽤
1概述
玻璃纤维，⼜叫玻璃⽆机纤维．按其⼯艺⾓度可分为纺织玻璃纤维、绝缘玻璃纤维和
玻璃纤维特种产品 3 类。纺织玻璃纤维有长丝与短纤维之分，⽤以加⼯成中间产品或最
终产品，玻璃纤维也叫玻璃棉或玻璃⽑。绝缘玻璃纤维主要⽤于保温、保冷、隔⾳和防燃．玻璃纤维特种产品有光导纤维、⽯英纤维和⽯英玻璃纤继等。
早在 1864 年， G· Parry 就第 1 个⽤吹喷法、玻璃拉丝法将⾼炉渣制成玻璃纤维。此
法得到的矿渣棉⽤作隔热或隔冷材料．但玻璃纤维真正形成现代化⼯业，要追溯到本世纪
30年代，美国⾸先发明了⽤铂柑锅连续拉制玻璃纤维和⽤蒸汽喷吹玻璃棉的⼯艺。在此之
后，世界各国相继购买它的专利进⾏⽣产，使得玻璃纤维⼯业得到迅速的发展。玻璃纤维最
早最重要的应⽤，应⾸推在第⼆次世界⼤战期间，采⽤玻璃纤维增强聚酯制成的雷达罩。发展⾄今，由于其特殊性能，⼴泛⽤于⽯油、化⼯、冶炼、交通、电业、电⼦、通讯、航夭等 ⼯业部门，以及军事⼯程、⼈民⽣活⽤品的各个领域。
1950 年，我国玻璃纤维⼯业才起步，当时只能⽣产绝热材料⽤的初级纤维。1955 年后，我国玻璃钢⼯业发展起来才使玻璃纤维⼯业得以迅速地发展。
2玻璃纤维的化学结构及分类
2． 1 玻璃纤维的化学结构
玻璃纤维是由硅酸盐的熔体制成的，各种玻璃纤维的结构组成基本相同，都是由⽆规则的 SiO 2⽹络所组成。玻璃纤维的主耍成分是SiO 2。单纯的SiO2是通过较强共价键相联结的晶体，异常坚硬，熔点⾼达1700C 以上，故加⼊ CaCO3。、
Na2CO3，等以降低熔点，加热后， CO2逸出，因此玻璃纤维中含有SiO2、Na2O 和 CaO。熔融的 SiO2冷⾄熔点以下时，因
其粘度⾮常⼤，液体流动性能很差，也需加⼈CaCO2、 Na 2CO3；等降低其粘度，利于玻璃纤维的
形成。此外，还加⼊其他⼀些成分，以达到玻璃纤维的最终⽤途。所以，SiO 2构成了玻璃纤维的⾻架，加⼊的阳离⼦可能位于玻璃⾻架结构的空隙中，也可能取代 Si 的位置。由图 1 可看出；玻璃纤维是典型的⾮晶体，微粒的排列是⽆规则的。
2· 2 玻璃纤维的分类
按玻璃纤维成分中有⽆碱⾦属氧化物（主要是Na 2O、 K 2O）来划分，可以分为⽆碱玻
璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维和特种玻璃纤维 4 ⼤类．玻璃纤维的组分不同，其
性能差异很⼤。如碱钙玻⽻纤维的抗拉强度为2500N ／ mm2 左右，⽽⽯英玻璃纤维的抗拉
强度则⾼达24000N ／ mm2 ．这主要是，玻璃纤维的强度随着玻璃软化温度的升⾼⽽增⼤．国际标准化组织（ISO）按其性质、⽤途等将⽤途⼴泛的绩织玻璃纤维分别加以命名，R2078 定义如下（见表1）；
E—玻璃：硅酸硼铝玻璃含有 0．8％以下的碱⾦属氧化物，⽤途最⼴，原来是为电⽓
技术的应⽤开发的（故⽤ E 标志），现在却主要⽤于塑料的增强．
A ⼀玻璃：有加硼或不加硼并含有0.8％以上碱全尼氧化物的碱钙玻璃，常⽤于对
塑料的增强耍求较低的场合．
C ⼀玻璃：硼添加量⾼的碱钙玻璃，具有特殊的耐化学作⽤能⼒，弥补了 E ⼀玻璃的耐酸性不⾜，⽽⽤于防腐、表⾯保护、过滤技术，以及蓄电池制造。
D⼀玻璃：⾼介电性能的特殊玻璃，⽤以制造⾼频技术的玻璃纤维增强塑
料．正⼀玻璃、 S ⼀玻璃：⾼温下具有⾼机械性能的特殊玻璃．
M⼀玻瞩：⾼弹性模量的含铍玻璃．
Z⼀玻璃：⽔泥稳定性改进型玻璃，⽤于与⽔泥结合材料的增强．
由于环境保护的要求，表 1 中的某些成分，如助熔剂（B2O3）及熔体均化⽤的助剂（ Na2SO4．）已逐步减少或不⽤．
索尼大楼绝缘玻璃纤维主裹是 SiO2、Al 3O2，两组分井添加助熔剂丽衍⽣出来．当 SiO2含量较⾼时，所加⼈
的助俗剂含量就较⾼，其绝缘性能则要低些，当SiO 2含量较低时，其助熔
剂含量就较低，其耐温性、绝绿性就好得多．mmpi
按玻璃纤维的直径粗细不同，有初级、中级、⾼级、超级玻璃纤维之分，直径越细强度越⾼．增强 2 料⽤的玻璃纤维通常选⽤中、⾼级玻璃纤维，其直径⼀般为6～ 15 微⽶，纤维强度为980---2940N ／ mm2 ． wcg2010世界总决赛玻璃纤维的外观是光滑的回柱体，横断⾯⼏乎是完整的圆形．这种特性使玻璃纤维之间
的抱合⼒不⼤，不利于和树脂粘合．纺织玻璃纤维具有各种不同的长度，这些长度是由于加
⼯过程所致．它的制造⽅法如同⼈造纤维的制造⽅法．⽩于玻璃长丝的扭转刚度⾮常⼤，因此，捻系数通常很低．玻璃长丝的⽀数与捻系数如表2、 3 所⽰：
国内，各种纺织玻璃纤维的单丝直径多为 5～ 8 微⽶，如⽆碱玻璃纤维的直径为 5～微⽶，中碱玻璃纤维的宜径为 6～ 8 微⽶，⾼强度和⾼模量玻璃纤维的直径为 8 微⽶．⽬前，国外玻璃纤维单丝直径在使⽤上有增⼤的趋势．如 13～ 14 微⽶、 15～ 17 微⽶等．这样，可提⾼玻璃纤维产量，减少合股⼯序，有利于树脂浸运，效果很显著．
3破璃纤维的⽣产⼯艺
国内外，因玻璃纤维的种类、⽤途等不同，其⽣产的⽅法很多．⽣产⼯艺都是以
全都熔融纺丝法为其特征．制造长丝和短纤维原则上有 3 种⽅法，即机械拉丝法、离⼼⼒拉
丝法和流动⽓体拉丝法，以及 3 种⽅法中两种⽅法的组合．机械拉丝法⼴泛地⽤于⽣产玻璃长
丝，⽽⽣产玻璃短纤维则主裹采⽤离⼼⼒拉丝法和流动⽓体拉丝法．
3· 1 离⼼法
离⼼法系将玻璃置于熔沪内熔融后，⽤，熔融玻璃通过客器壁上的喷丝孔，种⽅法⽤以制造绝缘纤维和玻璃短纤维．
流⼊设置在炉正下⽅的旋转客器中，借离⼼⼒的作被吹散⼊空⽓中形成纤维，其纤维直径为3-15urn ．这图 2 是转⿎离⼼法，还有 Hager ⼀ Rosengarth 离⼼
法和阶式离⼼法等形式。
3． 2 流动⽓体拉丝法
3.2.1 ⽕焰喷射法
⽕焰喷射法（见图 3）是使熔融的玻璃从熔融槽下部的多个喷丝孔流出，得到纤维
纲棒状体，然后⽤⾼压⽕焰于垂直⽅向喷射，使可制得很细的短纤维（通常的直径为3～ 6 微⽶，最细的为 0．3 微⽶）。
3． 3．2 蒸汽喷射法
蒸汽喷射法是⽤⾼压蒸汽将熔融的玻璃吹散制成纤维的⽅法（如图4）。该法的⽣产成本较低，但纤维直径呈分散性，多在10微⽶以上，并且纤维中混有玻璃颗粒，影响玻璃纤
维的质量。此法⽤于制造绝缘玻璃纤维，也可⽤于制造纺织⽤短纤维。在⽤于制造纺织⽤短
纤维时，在吹风喷咀的下部喷施润滑剂，再将纤维收集在转动缓漫、稍有负压的有孔转⿎上，纤
维被转就拉出并沿纵向取向．从⽽被加⼯成玻璃短纤维的捻线。深证
3· 3 机械拉丝法
玻璃球在拉丝炉内受电阻丝加热，使炉中的玻璃熔体维持在适于纺丝后的温度和
粘度，并借助⾃重从拉丝炉底部带有许多孔的漏板中流出，通过⾦属散热⽚熔体细流得以有效冷却，经过上浆集束器，得以上浆或浸上其他保护性液体，使长丝抱合成丝束，接下来使卷绕到拉丝机上．拉丝机提供将熔体细流拉伸成长丝所需的张⼒，拉丝速度达 1000～ 3500 ⽶／分，⾼速拉丝机能拉制成直径为 000015in 的玻璃纤维。
4、玻璃纤维的性质及应⽤
4.1 ⽐重
玻璃纤维的⽐重为2． 4～ 2． 7，有碱纤维的⽐重较⽆碱纤维的⼩，其平均⽐重通常定
为2．57．玻璃短纤维⽤作绝缘材料时，甚⾄在输送时，由于具有⾼度的膨松性，因此将其
压缩捆包成原体积的 1／ 2— 1／ 5。当纤维材料组成仅占体积的5％～8％时，玻璃纤维的假
⽐重通常为10～ 100kg／ m3。对绝缘材料⽽⾔，导热性、孔隙率、lkd 回弹能⼒、耐热性及燃烧性最为重要。孔隙率与纤维的粗细有关，相同的松密度下，导热性随着纤维的变粗⽽增⼤，因为这时所包合的空⽓量减少了。导热系数随着平均温度的上升⽽增加。随着平均温度的上升，导热系数曲线的最低值向较⾼的松密度⽅向移动（见因6）。绝缘材料多作成⽑毡状或将松散的绝缘纤维作填充材料。
4． 2 抗拉强度⾼、伸长率低
玻璃纤维的直径越细，其成纱的强度就越⾼．玻璃纤维的直径为 5 ⼀ 8 微⽶时，其抗
拉强度可达8． 5～ 13g／ den，⽽相同规格钢丝的抗拉强度才达6g/den．由于玻璃钢的抗拉强度随玻璃纤维直径的变化不是很显著的，⽽旦单丝直径越细，拉丝难度越⼤，产品成本也越⾼，因此在没有特殊需要的情况下，单丝直径可⼤些，以提⾼其产量．
双n玻璃纤维的断裂伸长为3～ 4％，弹性⽐其他纤维的要差得多，这种性质使得玻璃纤维
在应⽤于要求强⼒均匀的条件下（如玻璃长丝织造）会带来狠多问题，但应⽤于轮胎的缓冲层
帘⼦线或传动带的增强帘⼦线时，这种低伸长率却可以保证其制品具有很好的尺⼨稳定
性．
抗拉强度⾼和伸长率低的特性在⼯程上应⽤最为⼴泛的是增强塑料。该增强塑料既⽆塑料的柔软性⼜⽆玻璃的脆性。其重量仅及钢制品的1/3～ 1／5．由于玻璃纤维增强的⽅式、数量和⼏何形状（细度、长度、在层压塑料中的排布），以及塑料的选择和变性等，使得增
强塑料制品繁多。在德国，纺织玻璃纤维产量有81％⽤于塑料和其他材料的增强。在⽇本，⼏乎所有的增强塑料都是玻璃纤维增强。⽤玻璃纤维增强后的聚苯⼄烯系塑料，其机械性能、制品的尺⼨稳定佐，以及耐热、耐低温、耐冲击强度等都有很⼤的提⾼，⼴泛⽤于汽车部件、家⽉电器零件、机壳等．⽤玻璃纤维增强聚甲醛彼⼴泛地代替有⾊全属。由于它具有很好的耐磨、减摩性能，主要⽤于制造传动零件，如轴承、齿轮、凸轮等，电⽓⼯业⽅⾯⽤以制作
磁带景⾳机的飞轮轴承，以及其他的精密零件．国外，在玻璃纤维增强塑料基础上开发了⼀
系列产品，如⾦属化玻璃纤维．其⽅法是在玻璃纤维增强塑料上镀上镍和铜，起到屏蔽电磁辐射的作⽤。当今世界，电磁对环境的污染⽇益严重地⼲拢和损害仪器和电⼦设备的功能。
将⾦属化纤维加⼊普通玻璃纤维织物⽽后制成外壳，即能有效地防⽌这种电磁⼲拢。
近年来，在建筑材料⽅页引⼈注⽇的是向混凝⼟中填加纤维（如玻璃纤维—— E ⼀玻璃、
A ⼀玻璃、 C ⼀玻璃），这不仅起到增强、耐震、防⽕的结构作⽤，⽽且在⾼温多湿的⾬季
时，还具有⾃吸湿性，即所谓能够“呼吸” ．是⼗分合理的材料．
4． 3 脆性、耐磨牢度
玻璃纤维性脆，单丝集束性差和耐层牢度差，容易断裂，造成了加⼯过程中的困难．图8是单位纤维直径的弯曲疲劳负荷戮与弯曲次数的关系，可以看出玻璃纤维不耐弯曲．在美
国，玻璃纤维作为带束斜交帘予布轮胎的缓冲层帘⼦线使⽤量很⼤．这主要是由于玻璃纤维
模量⼤，没有热收缩，耐热性优良，与钢丝绳⽤作缓冲层帘⼦线相⽐，⽐重较轻（钢丝绳⽐
重为8．7），因⽽轮胎质轻，节约能源，同时也能克服其刮伤处容易渗⼈⽔分⽽腐蚀钢丝
的缺陷．但是，玻璃长丝性脆、韧性校差，这使得形成的油毡不耐弯曲，对压缩变形的耐疲
劳性也不良，因此玻璃纤维在轮胎上的使⽤还有待于进⼀步地研究．
玻璃纤维的脆性与它的直径的 4 次⽅成正⽐，把玻璃纤维直径减⼩，有利于提⾼玻璃
纤维的柔软性，例如直径为 3.8 微⽶的玻璃纤维，其柔软性⽐涤纶的还要好，所以，⽤于织
造的玻璃纤维⼀汲都是直径低于 20 微⽶的长丝。由于玻璃纤维的这种特性，使得它在织机及
编织机上具有较好的加⼯性能．
4． 4 耐⾼温性、耐热性和不易沾污性
玻璃纤维不燃烧，并旦有很好的耐热性．其单丝在200～ 250C 下，强反不会降低，却
略有收缩现象．玻璃棉的最⾼安全使⽤温度，在单独使⽤情况下可达350～ 400℃．通常⽆
碱玻璃纤维软化点为840C，中碱玻璃纤维的软化点为770℃，因⽽玻璃纤维适合于⾼温下
使⽤，特别是⽤在⾼温过滤和防⽕材料⽅⾯．近年双⽤耐热玻璃纤维制成的织物过滤器在除
尘技术领域显⽰其重要性．这种过滤器在使⽤中，⽆须冷却烟道⽓即可除去其中的灰尘．波
璃布制成的袋式过滤设备或平⾯过滤器可⽤于熔炉、化铁炉、转炉、发电⼚的除尘设备，以
及⼯作温度在200～ 300℃之间的⽔泥⼯业的除尘设备．另外，玻璃纤维的导热系数仅为
125J/h，因⽽它常⽤于管道和客器的隔热，以及成型件的绝缘壳．
由于玻璃纤维具有不易沾污性、隔热和不燃烧性，困此它⽤于装饰上同益⼴泛．美国研制出 1 种在玻璃纤维表⾣包覆⼄烯树脂的玻璃纤维窗帘布，它能吸收掉太阳的热量⽽不挡阳光，
52kdy并对强烈的紫外光有防护作⽤．这种窗帘布
的绝热效率是普通窗帘布的7 倍，如果夏季装在教室的宙外，可使教室内⾮常凉真，
有利于学习⼈员提⾼学习效率．袋饰织物除了使⽤光滑的加捻线外，也⽤花⾊加捻丝和变形丝，短过印花或染⾊上浆可取得其他光学效果．也可经过加热或化学整理以消除玻璃纤维内
应⼒，产⽣永久性卷曲，达到较好的悬垂性和抗皱性．墙布是玻璃纤维在建筑物装饰⽅⾯的重
这要应⽤．它是⽤玻璃长丝作经线、短纤维纱作纬线的交织物，经过⼀定的后整理制成的．种织
物是防滑的，具有很⾼的抗张强度，特别适合于⽯膏墙体、缩孔混凝上表⾯的装璜．4． 5 电⽓绝缘性好
由于玻璃纤维的吸湿性只有其他纤维的1/10 ⼀ 1/3，因此它具有很好的电⽓绝缘性．玻璃制品的介电性能与玻璃的组成有很⼤关系，同时，空⽓的湿度和温度对玻璃制品表⾯电导
率也有很⼤影响，其中 E ⼀玻璃（除 D ⼀玻璃外）的介电损失系数和⽐电阻的温度依赖⽐
其他玻璃的⼩，因此 E ⼀玻璃特别适⽤于⾼温、⾼湿及侵蚀性介质环境中电机的绝缘材料，
耐穿透⼒强，节约能源，可延长电机的使⽤寿命，使电⽓尺⼨缩⼩1／ 3，节约⾦属材料近30％左右．
在绝缘、防热、增强和过滤等材料⽅⾯，玻璃纤维已在很⼤程度上取代了⽯棉．⽯棉是纤维状的矿物质，它的热稳定性好、耐腐蚀性强、电绝缘性好和抗张强度⾼，但它对⼈体
的健康是有害的．⽯棉已被美国、欧共体等列⼊有毒有容物质之列，对其收集分类、运输和
处理等实施了法令管理，并研究开发⼀系列产品来曾代⽯棉．玻璃纤维制品的性能还优于⽯棉，特别是官对⼈体的健康⽆害，
即使是从事玻璃纤维⽣产的⼯⼈，也不会刺激呼吸器官或
息肺病，因此其前景是⼴阔的，但价格相对较⾼些．
4． 6 耐药品性、耐侯性和吸声性
耐药品性⼀般是指耐永性和耐酸碱性．玻璃纤维的耐碱性随玻璃纤维含碱量的增加⽽
减弱，⽽耐酸性则随合碱量的增加⽽增强．因此，⽆碱玻璃纤维的耐⽔性好，中碱玻璃纤
维的耐酸性好，但均不耐碱．
⽆碱玻璃纤维的耐候性较好，⽽有碱玻璃纤维则较差，这主要是空⽓中的⽔分对纤维
侵蚀的结果．
玻璃纤维的吸湿性低，在相对湿度65％时，吸湿仅0． 07％～ 0． 37％，因⽽官在建筑
仓储中运⽤很⼴泛．室外⽤苫布或简易仓库，在难燃性耍求很⾼的场合，以⽆碱玻玻纤维布
为底布，并⽤氯⼄烯树脂进⾏整埋，以达到防⽕防⽔的⽬的．在层⾯织物⽅⾯，玻璃长丝制
织的织物，因玻璃纤维的⽑纲管作⽤，完全浸透在沥青或改良的沥青中，形成⼏乎不能⽤机
械⽅法分开的化合物，可以⽤作容器和管道的防⽔和防腐。
在⾳频为41025H2 时，玻璃纤继的吸⾳系数为0． 5，因此它是良好的吸声材料．由
玻璃棉纤维集聚成柔软材料的⾻架，组成多孔质材料，声波透射到内部时，声能由摩擦阻
⼒变成热能，通常在⾼频享区吸⾳系数上升，并旦材料愈厚，则吸⾳系数愈⼤．
5玻璃纤维⾯临的问题
玻璃纤维的价格绞⾼．在⾼温防护及防⽕条件耍求较⾼时才采⽤．为了扩⼤它的适⽤性
和使⽤范围，可适当采⽤与某些有机纤维或纱线混纺或交织，以降低成本，改善性能．玻璃纤维的⽐重绞⼤，吸湿性差，服⽤性能较差．可通过玻璃长丝做芯线，周围包但棉
纤维，制成棉⼀玻璃长丝纱，以提⾼其织物的眼⽤性能．
玻璃纤继耐磨性美、柔软性美和不耐弯曲．为了改善这些性能，可⽤直径较⼩的波璃纤维
或者与棉、⿇、化纤和塑料等交织、混纺，其⽤途将更加宽⼴．
玻璃纤维断落的纤维头，触及⼈体使⼈很难受，特别会使⽪肤发痒．对此，可以通过对
⽪肤的适当保护加以避免．
玻璃纤维的染⾊很困难．未经处理的玻璃纤维不吸收通常的染料，但经过预处理后，就可⽤不同种类的染料表⾯着⾊．例如，酸性处理后可⽤阳离⼦染料，碱性处理后可⽤还原和苑化染料，阳离⼦活性助剂顶处理后可⽤阴⾼于染料．此外，还可以⽤粘合剂使颜料固⾊．
6结束语
由于玻璃纤维具有⽐重较⼤、初始模量⼤、抗拉强度⾼、伸长率低、电⽓绝缘性好、耐
⾼温、耐⾼热和吸声性能好等特点，所以玻璃纤维的运⽤很⼴泛．就整个⽆机纤维在产业上的运⽤⽽⾔，从数量上看最重要的是玻璃纤维⽤于塑料的增强，玻璃⽑和矿百棉应⽤于绝缘⽅⾣，钢丝线⽤作帘⼦线。由于卫主⽅⾯的要求，矿⽯棉在使⽤上呈下降的趋势，⽽钢丝线在帘⼦线⽅⾯的应⽤，⼈们正在研究新材料来取代．在⾼度⼯业化的经济地区，由于能源贮
量少，价格上涨，以及对防澡声、隔热和绝缘要求的提⾼，使得玻璃纤维的应⽤领域和市
场需求越来越⼤，特别是玻璃纤维增强塑料的憎长趋势更迅猛。
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