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详解玻璃纤维产品特性与工艺发展_产业规模及核心竞争力

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发表时间:2018-04-28 11:44来源:二知了

  玻璃纤维(英文的原名为:glassfiber或fiberglass)是一种性能优异的无机非金属材料。它的优点是--绝缘、耐热、抗腐蚀,机械强度高,是常用的复合材料原料。同时,我国也是世界玻纤生产第一大国。


  玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,是以二氧化硅为主要原料的天然矿物,添加特定的金属氧化物矿物原料,混合均匀后,在高温下熔融,熔融玻璃液流经漏嘴流出,在高速拉引力的作用被牵伸并急速冷却固化成为极细的连续的纤维。其单丝直径在几微米到二十几微米之间,相当于一根头发丝的1/20-1/5,每束纤维原丝由数百根甚至上千根单丝组成。


  玻璃纤维基本性质


  玻璃纤维基本性质:外观为表面光滑的圆柱状,截面呈完整的圆形,圆形截面承受载荷能力强;气体和液体通过阻力小,但表面光滑使纤维的抱合力小,不利于与树脂的结合;密度一般在2.50-2.70g/cm3,主要取决于玻璃成分;抗拉强度比其他天然纤维、合成纤维要高;脆性材料,其断裂伸长率很小;耐水性和耐酸性较好,而耐碱性较差。


  玻璃纤维发展历程


  20世纪20年代末,美国大萧条,政府出台了一条奇葩法令:禁酒令,一禁就是十四年,酒瓶生产商纷纷陷入困境。欧文斯伊利诺斯公司是当时美国最大的玻璃瓶制造商,也只能眼睁睁看着一个个玻璃熔炉被熄火。这时一位贵人——GamesSlayter,他偶然经过一台玻璃熔炉,发现一些溢出的液态玻璃被吹成纤维状。Games好像牛顿被苹果砸中脑袋,玻璃纤维从此登上了历史舞台。


  美国玻璃巨子康宁玻璃公司(CorningGlass)也看好玻璃纤维前途。1938年10月Owens-Illinois及CorningGlass联手成立合资企业:欧文斯科宁玻璃纤维公司(我们的欧家华丽登场),这标志着玻璃纤维工业诞生。一年后,第二次世界大战爆发,常规材料匮乏,为满足军用战备的需求,玻璃纤维成为替代品。


  人们渐渐地发现这种年轻的材料有许多优点——质量轻、强度高、绝缘性好、保温、隔热。于是,坦克、飞机、武器、防弹衣等等都用上了玻璃纤维。


玻璃纤维立体芯材.png


  我国玻璃纤维产业发展历程


  我国玻璃纤维工业兴起于1958年。经过60年的发展,改革开放前主要服务于国防军工,之后转向民用,并获得迅速发展。


  到2008年,我国的玻璃纤维池窑拉丝产量就达到160万吨,位列世界第一。中国建材集团是目前全球规模最大的玻璃纤维生产商,仅我们一家企业产能规模达195万吨,稳居世界第一。


  我国玻璃纤维工艺发展


  1、早期坩埚拉丝法


  早期玻璃纤维的生产工艺主要是坩埚拉丝法,其中陶土坩埚法已被淘汰,代铂坩埚法则需两次成型,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。


  这种工艺的弊端有能耗高、成型工艺不稳定、劳动生产率低等,目前除少量特殊成份玻纤还沿用这种方法外,基本已经被淘汰。


  2、池窑拉丝法


  如今大型玻纤生产厂家均采用这种方法(将各种原料在窑炉中熔化后,直接经通路至专用漏板,拉制出玻璃纤维原丝)。


  这种一次成型方法具有能耗低、工艺稳定、产量质量提高等优点,使玻纤工业迅速实现了规模化生产,被业界誉为“玻纤工业的一次技术革命”。


  我国玻璃纤维产业核心竞争力


  1、玻璃配方技术


  玻璃配方技术是生产玻璃纤维的核心技术之一,中国建材集团所属中国巨石研发的E6玻璃配方,所属泰山玻纤研发的TCR配方,均无氟无硼,强度高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳,适用于耐高压、耐高温等特殊领域,已在行业内全面推广,是目前的主流玻璃配方。


  中国巨石E6之后,E6S、E7、E8等相继登场,2016年中国巨石研发出E8玻璃配方,模量超过95GPa,并且实现稳定高效的池窑化生产,同时兼有以往产品的优势,具有更高的性价比和市场竞争力。


  泰山玻纤2014年与美国AGY公司合作推出了S-1HM玻纤,主要应用于风电叶片。S-1HM配方是美国AGY的,加上泰山玻纤前期自主研发的高模HMG配方、风电用TCR配方,泰山玻纤形成了TCR、HMG、S-1HM的风电产品组合,更好地满足客户不同模量的需求。


  2、超大型池窑拉丝工艺


  又称一次成型工艺,各种玻璃配合料在约1600℃的池窑熔化部熔成玻璃液,在澄清部排除气泡,成为均匀的玻璃液,再在成型通路中辅助加热,精准控制温度,经漏板高速拉制,形成玻璃纤维原丝。一座窑炉有数条成型通路、上百台拉丝漏板。


  池窑法拉丝工艺能实现大规模工业生产,并易于实施最先进的全自动控制技术,使生产效率大幅度提高,已经成为当前国际上主流的拉丝工艺。


  3、立体式纯氧燃烧技术


  玻璃液在玻璃熔化池窑熔制过程中,主要依靠喷枪对其高温熔制,而胸墙插入式喷枪的火焰与玻璃液面平行,不能直接加热到玻璃液面,导致能量提供不均匀,造成无谓消耗,浪费能源。立体式燃烧技术,使窑炉能量供给均匀。纯氧燃烧避免了氮、琉等氧化物的产生,对空气不会造成污染。


  4、AGV自动化物流技术


  该技术替代了传统的链条输送技术,通过运用先进的激光定位AGV导航车输送纱架车,实现了从拉丝到烘干再到后续包装的流程自动化。AGV小车具有自动判断、自动选择、自动定位、自动交通管制、自动充电、自动接收任务等功能,准确、及时、节约大量劳动力,现场整洁、井井有条。


  5、智能化立体仓储技术


  该技术具备托盘流向智能控制,实现信息自动识别,对物流智能跟踪、监控、调度及管理,实现仓储环节的物流自动化和库存智能优化管理,出入库的效率达到18秒/托,比传统的仓储方式节省面积75%,大量缩减人工和场地。


  6、固废循环利用技术


  中国巨石自主开发了废丝回用技术,将原本难以处理的废丝粉磨后,作为原料重新回炉到池窑中,实现玻纤废丝的100%回收利用,真正变废为宝,解决了世界级难题。


  此外,对废气的处理是采用“SNCR+双减法+电除雾”法,可综合治理废气中的SO2、NOX、粉尘、氟化物等污染物,排放浓度远低于国家标准。对废水则采用中水回用,处理后再用于生产,实现污水零排放。


条纹玻璃纤维胶带.png


  我国玻璃纤维企业成长


  1、国内首条大型池窑拉丝生产线


  1994年11月28日,巨石8000吨中碱池窑胜利点火,在国内普遍采用代铂炉生产工艺的背景下,大胆尝试、勇于创新,率先使用池窑拉丝技术,为后来的规模化生产奠定了基础,积累了经验。


  2、中国首条万吨级玻纤生产线


  1997年3月28日,泰山玻纤在艰难中起步,历经艰辛点燃了中国玻纤行业“首条万吨无碱池窑拉丝生产线”的熊熊火焰,投资5.49亿元人民币,年生产能力为无碱玻璃纤维制品10400吨。


  3、海外首条大型玻纤生产线


  2014年5月18日,中国巨石积极响应国家“一带一路”建设,在埃及投资建设年产8万吨池窑拉丝生产线,这是中国在埃及投资金额最大、技术装备最先进、建设速度最快的工业项目,是我国在海外建设的首条大型玻纤生产线,填补了北非地区玻璃纤维生产的空白。巨石埃及二期项目在2016年5月投产,三期项目预计今年第三季度完成。届时,一个20万吨的玻纤生产基地将坐落于尼罗河畔。与此同时,巨石美国项目正在建设中。


  2017年1月,巨石自主研发的“高性能玻璃纤维低成本大规模生产技术与成套装备开发”项目荣获国家科技进步二等奖。在工信部公布的全国首批制造业单项冠军示范企业(培育)名单中,巨石入选示范企业名单;泰山玻纤新区生产线2015年被国家工信部列为玻纤行业首批智能制造示范项目,2016年入选国家智能制造应用新模式示范名单。


  塑料改性之玻璃纤维增强


  1、玻璃增强纤维塑料是什么?


  玻璃纤维增强塑料,是一种品种繁多,性能各别,用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺,制作而成的一种功能型的新型材料。


  2、玻璃纤维增强塑料的特点:


  1)、耐腐蚀性好:FRP是良好的耐腐蚀材料,对于大气;水和一般浓度的酸碱;盐及多种油类和溶剂都有较好的抵抗力,已经被广泛应用于化工防腐的各个方面。正在取代碳钢;不锈钢;木材;有色金属等材料。


  2)、质轻高强:FRP的相对密度在1.5~2.0之间,只有碳钢的1/4~1/5但是拉伸强度却接近甚至超过碳素钢,而强度可以与高级合金钢相比,被广泛的应用于航空航天;高压容器以及其他需要减轻自重的制品中。


  3)、电性能好:FRP是优良的绝缘材料,用于制造绝缘体,高频下仍能保持良好的。


  4)、热性能好:FRP导电率低,室温下为1.25~1.67KJ只有金属的1/100~1/1000是优良的绝热材料。在瞬间超高热情况下,是理想的热保护和耐烧蚀材料。


  5)、工艺性能优良:可以根据产品的形状来选择成型工艺且工艺简单可以一次成型。


  6)、可设计性好:可根据需求充分选择材料来满足产品的性能和结构等要求。


  7)、弹性模量低:FRP的弹性模量比木材的大2倍但比钢才小10倍,因此在产品结构中常感到刚性不足,容易变形。解决的方法,可以做成薄壳结构;夹层结构也可以通过高模量纤维或加强筋形式来弥补。


  8)、长期耐温性差:一般FRP不能在高温下长期使用,通用聚酯树脂的FRP在50度以上强度就会明显下降。


  9)、老化现象:在紫外线;风沙雨雪;化学介质;机械应力等作用下容易导致性能下降。


  10)、层间剪切强度低:层间剪切强度是靠树脂来承担的,所以较低。可以通过选择工艺,使用偶联剂等方法来提高层间粘结力,在产品设计时尽量避免使层间受剪。


  3、玻璃纤维增强塑料优点:


  1)、玻璃纤维增强塑料的耐热温度比不加玻纤高很多,尤其是尼龙类塑料


  2)、玻璃纤维增强塑料的收缩率低,刚性高。


  3)、玻璃纤维增强塑料不会应力开裂,同时,玻璃增强纤维塑料的抗冲性能提高很多


  4)、玻璃纤维增强塑料的强度高,如:拉伸强度,压缩强度,弯曲强度,都很高。


  5)、玻璃纤维增强塑料由于其它助剂的加入,使得玻璃纤维增强塑料的燃烧性能下降很多,大部分材料不能点燃,是一种阻燃材料。


  4、玻璃纤维增强塑料缺点:


  1)、玻璃纤维增强塑料由于玻纤的加入,使得塑料变成不透明的了,不加玻纤前是透明。


  2)、塑玻璃纤维增强塑料比不加入的玻纤的塑料韧性降低,脆性增加;


  3)、塑玻璃纤维增强塑料由于玻纤的加入,所有材料的熔融粘度增大,流动性变差,注塑压力比不加玻纤的要增加很多,为了正常注塑,所有增强塑料的注塑温度要比不加玻纤以前提高10℃-30℃。


  4)、由于玻纤和助剂的加入,玻璃纤维增强塑料的吸湿性能大加强,原来纯塑料不吸水的也会变得吸水,因此,注塑时都要进烘干。


  5)、玻璃纤维增强塑料在注塑过程中,玻纤能进入塑料制品的表面,使得制品表面变得很粗糙,斑斑点点。为了取得较高的表面质量,最好注塑时使用模温机加热模具,使得塑料高分子进入制品表面,但不能达到纯塑料的外观质量。


  6)、玻纤增强以后,玻纤是硬度很高的材料,助剂高温挥发后是腐蚀性很大的气体,对注塑机的螺杆和注塑模具的磨损和腐蚀很大,因此,生产使用这类材料的模具和注塑机时,要注意设备的表面防腐处理和表面硬度处理。


  玻璃纤维用途


  玻璃纤维是替代钢材、木材、石材等传统材料的新一代复合材料,是国家战略性新兴产业,对国家经济发展与转型升级有着重要意义。


  它“上天入地,无所不能”,为我们的航空航天事业和交通运输行业添砖加瓦;它“上得了厅堂,下得了厨房”,在“高大上”的节能环保领域有它,在“接地气”的体育休闲领域也有它;它“能粗能细,灵活切换”,不但符合建筑建材的坚硬标准,还能满足电子电器的精密要求。


  总之,玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,具有轻质、高强、耐高温、耐化学腐蚀、抗疲劳、电绝缘性能好等优点,已经在建筑与基础设施、汽车与交通、化工、环保、电子电气、船舶与海洋等国民经济各个领域大展拳脚,实惠于民。


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