高韧性环氧树脂预浸料评价技术研究

“玻璃纤维”又名“玻璃棉”、“玻纤”。是一种起增强作用的新材料，通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。

它是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石等，六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。

01、发展历史

玻璃纤维已经生产了几个世纪，但最早的专利是1880年在美国授予普鲁士发明家赫尔曼·哈姆斯法尔（Hermann Hammesfahr，1845-1914）。

玻璃线的大规模生产是在1932年偶然发现的，当时欧文斯 - 伊利诺伊州的研究员Games Slayter将压缩空气射流引导到熔融玻璃流并产生纤维。这种生产玻璃棉的方法于1933年首次申请专利。[5]欧文斯于1935年加入康宁公司，欧文斯科宁于1936年采用该方法生产其专利“玻璃纤维”（拼写为一个“s”）。最初，玻璃纤维是一种玻璃棉，纤维捕获了大量气体，使其可用作绝缘体，尤其是在高温下。

杜邦公司于1936年开发了一种合适的树脂，用于将玻璃纤维与塑料结合以生产复合材料。现代聚酯树脂的第一个祖先是1942年的氰胺树脂。当时已使用过氧化物固化系统。[6]随着玻璃纤维和树脂的结合，材料的气体含量被塑料取代。这将绝缘性能降低到塑料的典型值，但现在复合材料首次显示出作为结构和建筑材料的强度和前景。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），该名称也用于含有气体而不是塑料的低密度玻璃棉产品。

欧文斯科宁公司的雷·格林（Ray Greene）被认为在1937年生产了第一艘复合材料船，但由于所用塑料的脆性，当时没有进一步推进。据报道，1939年俄罗斯用塑料材料建造了一艘客船，美国建造了一架飞机的机身和机翼。第一辆拥有玻璃纤维车身的汽车是1946年的Stout Scarab原型，但该模型没有投入生产。

02、玻璃纤维的构成与特性

主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等，根据玻璃中碱含量的多少，可分为：

①、无碱玻璃纤维(氧化钠0%~2%，属铝硼硅酸盐玻璃)

②、中碱玻璃纤维(氧化钠8%~12%，属含硼或不含硼的钠钙硅酸盐玻璃)和高碱玻璃纤维(氧化钠13%以上，属钠钙硅酸盐玻璃)。

特点：玻璃纤维比有机纤维耐温高，不燃，抗腐，隔热、隔音性好，抗拉强度高，电绝缘性好。但性脆，耐磨性较差。用来制造增强塑料或增强橡胶，作为补强材玻璃纤维具有以下之特点：

①、拉伸强度高，伸长小(3%)。

②、弹性系数高，刚性佳。

③、弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。

④、为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。

⑤、吸水性小。

⑥、尺度安定性，耐热性均佳。

⑦、加工性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。

⑧、透明可透过光线。

⑨、与树脂接着性良好。

⑩、价格便宜。

⑪、不易燃烧，高温下可熔成玻璃状小珠。

03、玻璃纤维的生产工艺

玻璃纤维生产工艺有两种：两次成型-坩埚拉丝法，一次成型-池窑拉丝法。

坩埚拉丝法工艺繁多，先把玻璃原料高温熔制成玻璃球，然后将玻璃球二次熔化，高速拉丝制成玻璃纤维原丝。这种工艺有能耗高、成型工艺不稳定、劳动生产率低等种种弊端，基本被大型玻纤生产厂家淘汰。

池窑拉丝法把叶腊石等原料在窑炉中熔制成玻璃溶液，排除气泡后经通路运送至多孔漏板，高速拉制成玻纤原丝。窑炉可以通过多条通路连接上百个漏板同时生产。这种工艺工序简单、节能降耗、成型稳定、高效高产，便于大规模全自动化生产，成为国际主流生产工艺，用该工艺生产的玻璃纤维约占全球产量的90%以上。

04、玻璃纤维市场

根据生产时选择的原材料的不同，可将玻璃纤维分为无碱、中碱、高碱及特种玻璃纤维;根据纤维外观的不同，可将玻璃纤维分为连续玻璃纤维、定长玻璃纤维、玻璃棉;根据单丝直径的差异，可将玻璃纤维分为超细纤维(直径小于4μm)、高级纤维(直径在3～10μm)、中级纤维(直径大于20μm)、粗纤维(直径在30μm左右)。根据纤维性能的不同，可将玻璃纤维分为普通玻璃纤维、耐强酸强碱玻璃纤维、耐强酸玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、高强度玻璃纤维等。

全球玻纤行业主要有七大生产企业：分别为国内的巨石集团有限公司、重庆国际复合材料有限公司、泰山玻璃纤维股份有限公司、山东玻璃纤维股份有限公司以及美国欧文斯科宁-维托特克斯公司(OCV)、日本电气硝子公司（NEG）和美国JohnsManville公司(JM)。目前这7家公司占据的全球玻纤总产能的72%。整个行业呈现寡头垄断特点，并在过去十年未有变化，行业格局非常稳定。

按各国企业产能占比进行测算，中国已成为全球最大的玻纤生产基地，产业链完善。国内供给同样呈现寡头垄断的特点，中国巨石、泰山玻纤、重庆国际占据60%以上的市场份额。因为玻纤行业重资产、资本密集、核心技术不易获得这些特点保证了玻纤行业中的龙头能不断积累规模优势，降低成本，同时加强技术研发，通过技改进一步降低成本。