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      冷卻塔增強材料-玻璃鋼纖維

      發布日期:2017-01-18   點擊數: 1432

      玻璃鋼是一種復合材料,在復合材料中,增強材料作為分散相,樹脂基體作為分散介質,互相構成一個整體結構。在增強材料和基體樹脂之間還存在增強材料-基體界面,即稱為第三相。這三個單元的有機組合,使復合材料具有增強材料或基體樹脂單獨存在時所不具備的優良性能。

      增強材料種類很多,總的可分為有機纖維和無機纖維兩大類。屬有機纖維的有合成纖維、棉、麻、紙等;屬無機纖維的有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、聚酯纖維(合成纖維)、陶瓷纖維、石英和高硅氧纖維、金屬纖維等。其中又分為長纖維增強材料和短纖維增強材料。

      玻璃纖維可分為以下6 種:E 玻璃(是最早用來生產電絕緣用連續玻璃纖維的一種玻璃成分);C 玻璃(是一種鈉硼硅酸鹽玻璃,具有較好的耐酸性和耐水解性能);A 玻璃(屬于膏堿含量的鈉鈣硅酸玻璃,是窗用平板玻璃);D 玻璃(是一種介電玻璃,用于高效能電子應用);S 玻璃(是一種高強度玻璃,用于火箭發動機殼體、高性能飛機部件等);M 玻璃(是一種含氧化鈹的高彈性模量玻璃、相對密度較大,故比強度較低)。其性能特征見表11-1′,我國幾類玻璃纖維主要性能見表11-2。

      制造冷卻塔用的屬E 玻璃纖維,主要是無堿玻璃纖維、無捻玻璃纖維及中堿玻璃纖維,故分別作簡要論述。


      無堿玻璃纖維

      無堿玻璃纖維在國外為通用玻璃纖維,占產量的90 %以上,在國內也是應用最多的類型之一。無堿纖維其含堿量在1 %以下,而低堿纖維含堿量在2 %~6 %;有堿(含中堿)纖維含堿量在10 %~16 %之間。

      無堿玻璃纖維布的品種、規格、性能見表11-3。 無堿玻璃纖維抗拉強度比鋼絲還高,與金屬材料比重量較輕,與金屬鋁相當;抗疲勞強度高,對須經受沖擊負荷的結構材料而言也是重要優點;優異的電性能,絕緣強度高,介電常數低;尺寸穩定性好,在最大應力條件下,伸長率僅3 %~4 %;耐溫高,在343 ℃時,抗拉強度扔保留50 %;化學穩定性好,耐候性好,除強酸外,不受任何化學物侵蝕;導熱系數高,用作電絕緣材料時能迅速散熱;幾乎不吸水,遇火不燃燒、不冒煙。

      無堿玻璃纖維的一系列優異性能和特點使它成為近代工業中應用最廣泛的增強材料、電絕緣材料和工業材料。

      中堿玻璃纖維

      中堿玻璃纖維布的規格及機械性能見表11-4。

      中堿玻璃纖維與無堿玻璃纖維相比強度較低,在相同的試驗條件下,無堿玻璃纖維抗拉強度為3120MPa(312kgf/mm2),中堿玻璃纖維抗拉強度為2680 MPa(268kgf/mm2)。玻璃纖維的電性能取決于玻璃成分中的堿金屬氧化物含量。試驗表明在300 ℃時,堿金屬氧化物含量為0.5 %的無堿玻璃纖維電阻為12.3×1011Ω,而堿金屬氧化物含量為2 %的低堿玻璃纖維電阻為1.06×1011Ω。堿金屬氧化物含量的增加會顯著降低玻璃纖維的電性能。

      我國早期的無堿玻璃纖維標準規定堿金屬氧化物含量不大于2 %,以后根據電絕緣材料部門的要求,將標準定為0.8 %以下。堿金屬氧化物含量是影響電性能的關鍵指標,國外一些企業為保證產品質量,內容實際嚴格控制在0.5 %左右。由此可見,中堿玻璃纖維不宜用于電絕緣方面。中堿玻璃纖維的其他性能與無堿纖維相仿;瘜W穩定性良好,耐酸性優于石堿纖維,而且價格比無堿纖維低,在無有關性能要求的領域中,也是一種良好的工業材料和增強材料,至今在我國連續玻璃紡織制品中仍然是用量最大的玻璃纖維類型之一。

      無捻玻璃纖維

      無堿、中堿、高堿、高強等連續玻璃纖維原絲,都可以通過紡織加工制作成適應各種用途所需要的無捻粗紗、有捻紗線、織物等紡織制品。在加工過程中,某些特性可能因工藝過程、制品結構形態的改變或表面化學處理的影響而略有變化,但其基本特性仍將保持不變。

      無捻纖維是平行排列的,拉伸強度很高,由于纖維不加捻,故較松散,易被樹脂浸透。無捻纖維可分為無堿無捻纖維、中堿無捻纖維等。無捻粗紗可直接用于增強塑料,也可短切后使用。冷卻塔制作中,強度層采用300g/m2的短切氈和中堿0.4mm布,交替與191 樹脂糊制;內衣層的內表層采用300g/m2 無捻短切氈與189 樹脂糊制。

      國產無堿無捻幾種主要玻璃纖維紗的規格及物理機械性能見表11-5。

      無捻粗紗按玻璃成分可劃分為:E 玻璃無捻粗紗和C 玻璃無捻粗紗,生產玻璃粗紗所用的纖維直徑為13~23μm 。無捻粗紗的號數從150 號到9600 號。

      無捻粗紗表面被覆有各種不同的浸潤劑,這些浸潤劑系統都是適合不同玻璃鋼工藝方法、產品性能、樹脂系統而設計和選定的,就與樹脂系統相容性而言,必須了解所選用的無捻粗紗與所用樹脂系統(環氧、聚酯、酚醛)是否相容。

      根據不同用途,無捻粗紗可分為:噴射用無捻粗紗、SMC用無捻粗紗、纏繞用無捻粗紗、拉擠用無捻粗紗、織造用無捻粗砂、預型體用無捻粗紗、管道用無捻粗布、透明波形瓦用無捻粗紗、增強熱塑性塑料用無捻紗、混合無捻粗紗等。SMC即片狀模塑料,主要用于壓制汽車部件、浴缸、水箱板、凈化槽、座椅等。

      玻璃纖維氈

      1. 短切原絲氈

      將玻璃原絲(有時也用無捻粗紗)切割成50mm 長的短纖維,將其隨機但均勻地鋪在網帶上,隨后施以PVAc 乳液黏結劑或散布上聚酯類粉末黏結劑經加熱固化后黏結成短切原絲氈。所用玻璃原絲單絲直徑10~12μm ,原絲集束根數為50 根或100 根,對于單位面積質量低的短切氈,為使氈面纖維分布均勻,須降低原絲集束根數(如50 根)。短切氈中黏結劑含量一般為3 %~6 %。短切氈的供貨寬度可按使用要求,短切氈機組生產出來的寬度為1.02m、2.04m、3.06m 。短切氈的面積質量范圍為150~900g/m2,使用最多的通常為450g/m2。

      對于短切原絲氈的質量要求為:沿寬度方向面積質量均勻;短切原絲在氈面中分布均勻,無大孔眼形成和黏結劑分布均勻;具有適中的干氈強度和可以較容易地將其撕開;具有優良的樹脂浸潤及浸透性,減少氣泡數量,有利于輥平制品,驅除氣泡。

      2. 連續原絲氈

      將拉絲過程中形成的玻璃原絲或從原絲筒中退解出來的連續原絲呈8 字形鋪敷在連續移動網帶上,經粉末黏結劑黏合而成。單絲直徑從11~20μm ,原絲集束根數以50 根、100 根為佳,單位面積質量范圍為150~650g/m2。

      連續玻璃纖維原絲氈中纖維是連續的,故其對復合材料的增強效果比短切氈好。主要用在拉擠法、RTM法、壓力袋法及玻璃氈增強熱塑料(GMT)等工藝中。

      連續原絲氈所用粉末黏結劑一般為兩種,一種是在苯乙烯中高溶解度的,這種氈適用于拉擠成型;另一種黏結劑為低溶型的,適用于RTM 工藝,由于黏結劑在苯乙烯中溶解度低,故在樹脂壓力下纖維不易隨樹脂被沖刷掉。

      還有玻璃纖維薄、針刺氈、短切原絲和磨碎纖維等,因與冷卻塔制作關系不大,故不做論述。

      玻璃纖維原絲系列及代號

      1. 纖維直徑及號數

      (1)纖維直徑

      纖維直徑是玻璃纖維與礦物棉的主要特性之一。纖維直徑對生產工藝、制品性能、價格都有直接影響。纖維直徑、根數不同,能組合成眾多不同細度的原絲,而原絲又是玻璃纖維制品的基本組成單元,組織的變化會使制品規格繁多。為此各國都實施原絲系列化工作,將纖維劃分為不同系列。

      在國外玻璃纖維與礦物棉制品介紹時常用各種各類英文字母,實際上這些字母是纖維直徑的一種代號,在表11-6 中給出英文字母對應的纖維直徑范圍。如表中G 纖維,就是直徑為9μm (8.89~10.12μm)的纖維。

      (2)纖維代號

      公制號數也即tex ,是指每1000m 玻璃纖維紗或原紗克重數,用式表示為:

      式中 NT——原紗或紗線的線密度(tex );

      G——原紗或紗線的質量(g );

      L——原紗或紗線的長度(m )。

      公制支數為單位質量的紗線或原線長度:

      特克斯與支數關系為:

      11-6 和表11-7 為玻璃纖維直徑代號、紗支號數及英制支數及單絲數目對應表。英制支數是每磅重玻璃纖維紗以碼表示的長度的1 %。它與特克斯是玻璃纖維行業中最常用的兩種表示玻璃纖維紗、無捻粗紗的兩種單位制,兩者的換算式為:

      CT75 紗為例,75 為英制號數,它代表每磅重的這種玻璃纖維紗長7500 碼,故其對應的公制號數即tex 數為496055/7500 =66 。

      在生產實踐中,纖維直徑(in),每根原絲所含單絲根數及纖維密度(g/cm3)都是已知數據,根據這些數據可按下式計算出每磅纖維的長度(碼數):

      式中 Y——每磅原絲的碼長;

      n——原絲中單絲根數;

      ρ——纖維密度(g/cm3);

      d——單絲直徑(in)。

      計算出Y 值即可按式(11-1)計算出原絲公制號數。如已知原絲中單絲根數為400 ,玻璃纖維密度為2.52g/cm3 ,絲維直徑為0.00036in (G )則:

      說明該玻璃纖維紗為G75 。

      2. 玻璃纖維紗和織物代號

      (1)無捻粗紗 按照GB4202《玻璃纖維紗代號》國家標準規定,無捻粗紗的玻璃成分、纖維類別、單絲直徑、粗紗線密度都在其代號中表示。例如:

      有關無捻粗紗的詳細規格要求,E 無捻粗紗可查行業標準JC/T 277 ;C 無捻粗紗可查JC/T 278 。相關的國際標準ISO 2797 紡織玻璃纖維—無捻粗紗—規格基礎,日本工業標準為JIS R3412 玻璃纖維無捻粗紗。

      (2)無捻粗紗織物

      按照GB 4202《玻璃纖維布、帶、管代號》國家標準規定,無捻粗紗織物的玻璃纖維類型、織物類別、單位面積質量均在代號中表示,如果上述各項都一樣的織物,還有織物結構方面的差異,可在后面再加上結構類別代號。例如:

      國外無捻粗紗織物代號僅一點與我國不同,其代號中的數字為布的單位面積質量(g/m2)。我國E 無捻粗紗布查標準JC/T 281 ,C 無捻粗布查標準JC/T 576 。

      (3)玻璃纖維紗的代號

      按照GB 4202《玻璃纖維紗代號》國家標準規定,其類型、類別、直徑、密度、合股數、最終捻向、最終捻度都在代號表示,采用國際單位制(公制)。

      1)單紗:

      2)股紗:

      3)繩:

      浸潤劑

      玻璃鋼生產廠家購買玻璃纖維時,必須指定購買使用增強型浸潤劑的纖維。在物理學中,浸潤名詞的定義為:“當液相與固相接觸時,液相可以沿著固相表面不斷擴展并相互融合,此現象稱為浸潤,反之液相表面不斷縮小,則稱之為不浸潤!苯䴘檮┻@一名詞就是從這個定義衍生得來。浸潤劑是玻璃纖維的重要組成。

      在纖維表面涂覆一種有機物涂層既能有效地潤滑纖維表面,又可以使數百根乃至數千根單絲集束。過去把這種有機物系(溶液、乳狀液或膏狀、觸變型膠體等)稱作玻璃纖維潤滑油或膠水,這種名稱不能全面地說明問題實質。實際上這種有機物不只是一般地潤滑纖維和黏結單絲,還對纖維原絲發生完全潤濕和浸透。有些“潤滑油”甚至在纖維中還和其他一些被覆的有機物發生相似的浸潤過程或物理化學等作用。因此把這些有機物體系稱作連續玻璃纖維浸潤劑更為恰當。

      1. 浸潤劑對玻璃纖維的重要性

      (1)浸潤劑是玻璃纖維生產、加工所必須的涂敷物。在高速拉制極細的玻璃纖維過程中,纖維表面沒有涂敷一層潤滑劑、黏結性的物質,不僅會因磨損嚴重致使拉絲作業無法進行,而且若數百根乃至數千根表面光滑又分散的單絲,根本無法加工成某種實用產品。

      (2)浸潤劑能有效地改變玻璃纖維的某些缺陷和表面性質,使玻璃纖維及其織物更廣泛地應用。

      (3)對各種不同的玻璃纖維復合材料成型工藝,必須有專用的浸潤劑與之配套,浸潤劑賦予玻璃纖維制品(無捻粗紗、氈、織物)以各種成型工藝及玻璃鋼制品所必需的技術性能,如穿透性、浸透性、硬挺性、切割性、分散性、成帶性等?梢哉f,浸潤劑技術的發展是玻璃纖維工業及FRP 工業發展的先決條件之一。 2. 浸潤的作用

      (1)潤滑——保護纖維。此作用貫穿于拉絲和纖維加工全過程。

      潤滑作用包括原絲拉絲過程中的濕潤劑和原絲筒后加工過程中所需要的干潤滑兩種。在拉絲過程中,需由浸潤劑中“濕潤滑組分”使玻璃纖維原絲與涂油器(單絲涂油器或半輪式涂油器)及集束槽之間保持一定潤滑作用,避免兩者間摩擦系數過大而引起原絲張力過大。在原絲張大時極易造成飛絲及原絲退解困難的弊病。

      在原絲筒干燥后(自然干燥或烘干)絡紗、退解、織造或制氈過程,浸潤劑中“干潤滑組分”必須賦予原絲良好的滑爽性,以防止因機械磨損而產生毛絲。

      在某種情況下,一種潤滑劑可同時起到濕潤劑及干潤劑兩種作用,但多數情況下,必須有兩種潤滑劑配合才能達到上述效果。

      (2)黏結——集束單絲。使原絲保持其完整性,減少散絲或斷絲,便于紡織加工及退解無捻粗紗并短切紗(BMC、SMC、短切紗氈、波形瓦用紗)短切過程中,保持纖維不開纖,保持纖維集束的完整性。

      (3)紡織纖維表面靜電荷積累。此種性能對SMC用紗、短切氈、連續原絲氈用原絲特別重要。

      (4)為纖維提供進一步加工和應用所需的特性。如短切性、成帶性、分散性等,特別是可被熱固性或熱塑性樹脂以及橡膠或水泥等基材迅速浸潤等性能。

      (5)使纖維獲得與基材有良好的表面性能,如與基材的相溶性及化學結合或化學吸收等性能。

      上述5 個作用的最終結果使纖維能順利生產和進一步加工,并使玻璃纖維增強制品具有理想的物理、力學、化學、電學及耐老化等應用性能。

      3. 浸潤劑應有以下方面性能要求

      (1)適當的黏結性。其潤滑——黏結性能應恰到好處,保持適當的平衡,并易于潤濕和浸透原絲。

      (2)良好的成膜性。易于潤濕纖維表面,涂層均勻。具有足夠的耐磨性和機械強度,且與玻璃纖維有足夠的黏結強度。

      (3)足夠的穩定性。貯存過程,在拉絲時的高速剪切作用以及四季溫度變化等情況下,都能保持浸潤劑體系的一定均一性和黏度范圍。

      (4)原料來源豐富。價格較低,使用衛生、無毒、安全、貯存及使用過程中穩定性好。 特殊性能的浸潤劑,要求組分間相對惰性,并通過特定原料提供與玻璃纖維和其他高分子聚合物都有良好的性能。其各組分的綜合作用結果,賦予原絲和粗紗不同的硬挺性,浸透性、短切性和分散性等。

      4. 浸潤劑組分及分類

      浸潤劑是一種混合物體系,從外觀看可以是溶液、乳狀液、解變型膠體或膏體。因其作用和性能多樣,故其組分亦相當復雜。主要組分是黏結劑、潤滑劑及偶聯劑、分為紡織型浸潤劑、增強型浸潤劑和增強紡織型浸潤劑三類。

      (1)浸潤劑組分

      1)浸潤劑組分的黏結劑,亦稱作成膜劑或集束劑。是實現單絲集束,并保持原絲完整性和提供原絲硬挺或柔軟性的主要組分。此組分占浸潤劑組分的2 %~15 %,用量最多,故對浸潤劑的其他性能和作用有重要影響,是浸潤劑關鍵部分之一。

      2)潤滑劑,亦有平滑劑之稱。這里是指在濕態(拉絲過程中)和干態(原絲退并、紡織等加工時)超潤滑表面、減少磨損作用的物質。在浸潤劑組分中用量一般為0~5 %,不同用途的浸潤劑其潤滑劑的類型和用量有較大差別。

      3)偶聯劑,亦有稱中間黏結劑和表面處理劑。偶聯劑是通過本身的兩種不同性質,把纖維與樹脂等高聚物結合起來,使玻璃纖維增強材料獲得理想的應用效果。在浸潤劑組成中用量較少,僅約0.2 %~0.6 %。這種浸潤劑是增加型浸潤劑特征之一。

      除上述三組組分外,浸潤劑的其他組分都可稱作輔助成分或添加劑,它們為:

      4)潤濕劑。是一種具有表面活性的物質,可降低浸潤劑體系的表面張力至0.035N/m以下,使浸潤劑更易潤濕玻璃纖維表面達到均勻浸透原絲的效果。潤濕劑的另一個作用是改善高聚物對被覆有浸潤劑的玻璃纖維表面的浸潤和向原絲內部即單絲間的浸透性。對增強型浸潤劑來說,此組分是很重要的,但不是所有的配方中都需要加入此組分。

      5)p H 調節劑。一般使用有機酸,多數是用于調節浸潤劑體系的穩定性和保證偶聯劑的最佳使用效果。一般配方的p H 值在4~7 范圍內,個別浸潤劑,如保證其穩定性或偶聯劑的最佳效果,亦有控制p H 值為11 左右,但較少見。

      6)防靜電劑?梢杂行У亟档筒AЮw維在加工及使用過程中的靜電作用,特別是在需要短切加工的玻璃纖維浸潤劑中使用。

      7)防腐劑或殺蟲劑。只在浸潤劑其他組分有腐敗、發霉等變質時才使用。一般用已萘酚或B 萘酚,用量極微。

      8)增強、柔軟等改性劑。專門為改變成膜劑原有性能而加入浸潤劑體系中的物質。只有在成膜或浸潤劑體系提供的性能不能滿足需要時才使用。

      9)顏料。一般僅在某些玻璃纖維廠的“紡織型浸潤劑”中使用,以區別各種不同用途的配方。使用時應根據不影響浸潤劑的均一性,合理選用顏料類型。

      (2)浸潤劑的類型

      根據浸潤劑的作用和組分性能,可把玻璃纖維浸潤劑分為以下三類,簡述如下:

      1)紡織型浸潤劑

      是紡織用紗使用的浸潤劑,這類浸潤劑僅提供拉絲和纖維紡織加工工藝性能。用紡織型浸潤劑拉制的纖維及其織物,因耐水性、耐老化性差,不能直接用作增強材料。

      2)增強型浸潤劑

      增強型浸潤劑的性能、作用和使用的原料和紡織型浸潤劑有較大差別。嚴格來說只有同時具有以下兩種特征的浸潤劑才稱作增強型浸潤劑:一是浸潤劑配方中使用偶聯劑;二是浸潤劑和各組分與被增強的樹脂、 橡膠或其他基材有特定的相溶性或反應性,以及不影響或較小影響偶聯劑效果。

      增強型浸潤劑品種較多,從其纖維二次加工形式分,有短切和連續纖維浸潤劑兩種;從浸潤劑與被增強基材的相容性快慢來分,有速溶、中溶和難溶型等多種。一般連續法、噴射法以及手糊成型玻璃鋼用的浸潤劑,都要求具有速溶性特點,其他成型方法因其制造工藝不同,要求浸潤劑的溶解性亦各不相同。

      3)增強紡織型浸潤劑

      針對紡織型浸潤劑中必須經后處理熱清洗除去及一般增強型不能滿足細紗薄布紡織性能的要求,研制出增強效果好,同時又可滿足紡織性能的增強紡織型浸潤劑。目前國內已研制開發N—140 等系列增強紡織型浸潤劑,用于玻璃纖維三向織物等領域,現正在進一步推廣之中。









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