玻璃纤维是现代复合材料的原始纤维增强材料。尽管古代腓尼基人、埃及人和希腊人知道如何熔化玻璃并将其拉伸成细纤维，但直到 1930 年代，该工艺才演变为连续纤维的商业规模制造，后来被用作结构增强材料。 Owens-Illinois Glass Co.的员工Games Slayter、John Thomas 和 Dale Kleist 在 1933 年至 1937 年间提交的专利申请记录了该行业从生产不连续玻璃棉到制造直径小至 4μm和数千英尺长的连续玻璃丝。随后的突破使该工艺在商业上可行且具有成本竞争力。该系列的最后两项专利，名为“纺织材料”和“玻璃织物”，预示了玻璃纤维作为纺织品增强材料的未来。这些专利于1938年获得授权，同年欧文斯-伊利诺伊州和康宁玻璃工厂（纽约州康宁）加入了欧文斯-康宁玻璃纤维公司 (OCF)。新公司以商品名 Fiberglass 销售其玻璃纤维，这是对玻璃纤维的通用通用参考的起源。不久之后，许多其他制造商进入市场，并通过大量的工艺和产品创新，为全球结构复合材料增强市场做出了贡献，根据市场研究公司 Lucintel（美国德克萨斯州达拉斯）的数据，该市场在2018年达到 25 亿英镑。
玻璃纤维工艺
纺织级玻璃纤维由石英砂在 1720°C时熔化制成，SiO2是石英这种天然存在的岩石的基本元素。然而，石英是结晶的（刚性、高度有序的原子结构）并且含有 99% 或更多的 SiO2。如果将 SiO2 加热到 1200°C以上，然后在环境中冷却，它会结晶并变成石英。玻璃是通过改变温度和冷却速率来生产的。如果将纯 SiO2 加热到 1720°C然后快速冷却，则可以防止结晶，并且该过程会产生我们称为玻璃的无定形或随机排列的原子结构。
尽管通过不断细化和改进，今天的玻璃纤维制造商将这种高温/快速冷却策略及其他步骤却与 1930 年代开发的技术基本相同，尽管规模要大得多。这个过程可以分为五个基本步骤：配料、熔化、纤维化、上浆和干燥/包装。
第 1 步：配料
虽然商业玻璃纤维仅由二氧化硅作为原料制成是可行的，但添加了其他成分以降低温度并可赋予其在特定应用中其他特性。例如，E玻璃，最初应用于电气领域，其组成包括SiO2、Al2O3、CaO和 MgO，被开发为比原来的钠钙玻璃更耐碱的替代品。之后，通过 B2O3添加硼，以增加E玻璃配料熔化温度与形成晶体结构的温度之间的差异，以防止纤维化中使用的喷嘴堵塞（下面的步骤 3）。为提高强度而开发的 S-玻璃纤维基于 SiO2-Al2O3-MgO 配方，含有更高百分比的SiO2。因此，在玻璃制造的初始阶段，必须仔细称量准确数量的这些材料并彻底混合（配料）。通过使用计算机化的称重装置和封闭的材料运输系统，配料已经实现自动化。例如，在 Owens Corning 位于印度 Taloja 的工厂中，每种成分都通过气动输送机运输到其指定的多层存储仓（筒仓），该仓能够容纳1.98 至 7.36 立方米的材料。每个料箱正下方是一个自动称重和进料系统，它将每种成分的精确数量转移到批处理车间地下室的气动搅拌机中。
第 2 步：熔化
从配料室，另一个气动输送机将混合物送至高温 (≈1400oC) 天然气燃烧炉进行熔化。熔炉通常分为三个部分，带有有助于玻璃流动的通道。第一部分接收配料，在那里发生熔化并增加均匀性，包括去除气泡。熔融玻璃随后流入精炼机，其温度降至1370oC。最后一部分是前炉，其下方是一系列四到七个衬套，在下一步中，这些衬套用于将熔融玻璃挤出成纤维。大型熔炉有多个通道，每个通道都有自己的供料道。
据 AGY (Aiken, S.C.) 全球业务发展总监 Scott Northrup 称，熔炉操作正在几个方面得到改善。使用更大的熔炉将产量提高到每年30000到40000吨之间。最重要的进步之一是数字控制技术，可以使流向纤维化设备的流动更顺畅、更稳定，避免气泡或其他可能导致纤维形成不连续的中断。氧气流量的控制至关重要，因为使用最新技术的熔炉燃烧几乎纯氧气而不是空气，因为它有助于天然气燃料燃烧得更清洁、更热，从而更有效地熔化玻璃。它还通过使用更少的能源来降低运营成本，并将氮氧化物 (NOx) 排放量减少75%，将二氧化碳 (CO2) 排放量减少40%。AGY 销售和营销副总裁 Drew Walker 表示，玻璃纤维的生产是一个连续的过程，“一旦开始生产，就不会停止生产。”制造商表示，一个典型的熔炉平均需要 12 到 15 年的时间进行改造，最坏的情况是7年。 Walker 解释说，用于建设新生产基地的成本高达 1.5 亿美元，用于新熔炉或重建的成本高达 1000 万至1500 万美元，延长熔炉寿命将直接转化为美元。
该行业对玻璃熔炼采取三种主要方法：（1）间接熔炼； (2) 使用大型熔炉直接熔炼（每年8000至100000吨）； (3) 使用小型熔炉（每年150至200公吨）直接熔炼，也称为参数熔炉。对于间接熔炼，熔融玻璃被剪切并轧制成直径约15至16mm的大理石，经过冷却、包装，然后运送到纤维制造设施，在那里它们被重熔以进行纤维化（参见“步骤 3” ）。大理石便于目视检查玻璃中的杂质，从而获得更一致的产品。直接熔化工艺将熔炉中的熔融玻璃直接转移到纤维成型设备。由于直接熔化消除了中间步骤和成型大理石的成本，因此它已成为最广泛使用的方法。
第 3 步：纤维化
玻璃纤维的形成或纤维化涉及挤出和衰减的组合。在挤压过程中，熔融玻璃通过一个由耐腐蚀铂/铑合金制成的衬套从前炉中流出，该衬套具有从 200 到多达 8000 个的非常精细的孔口。衬板采用电子方式加热，其温度受到精确控制，以保持恒定的玻璃粘度。当细丝以大约 1204oC的温度离开套管时，水射流会冷却细丝。衰减是将挤出的熔融玻璃流机械拉成称为细丝的纤维元件的过程，其直径范围为4至34μm。高速卷绕机捕获熔融流，因为它以每分钟约3公里的圆周速度旋转（比熔融玻璃离开套管的速度快得多），施加张力，将它们拉成细丝。
衬套价格昂贵，其喷嘴设计对纤维化至关重要。喷嘴直径决定纤维直径，喷嘴数量等于端数。一个 4000 个喷嘴的衬套可用于生产单个粗纱产品，或者该工艺可配置为生产四根粗纱，每根粗纱具有1000个末端。套管还控制每磅玻璃的纤维产量或纤维码数。（公制单位 tex 测量纤维的线密度；1 tex = 1 克/公里），275 tex的纤维直径比8,890 tex的纤维小，而 800 喷嘴衬套产生的产量比4000喷嘴衬套要小。这有助于解释为什么 OCV Reinforcements（俄亥俄州托莱多，Owens Corning 和 Saint-Gobain Vetrotex 的增强材料和织物业务的组合）美洲玻璃业务经理 Wisdom Dzotsi 将 4000 个喷嘴衬套视为最佳点为优化生产灵活性而进化。相比之下，AGY 使用 800 孔衬套，因为正如 Walker 解释的那样，“我们是一家规模较小的公司，我们的玻璃纱线和特种纤维业务基于更细的长丝小规模产品。”
PPG Industries（宾夕法尼亚州匹兹堡）的市场开发总监 Kevin Richardson 指出：“套管设计方面的新兴发展可通过定制的灯丝直径进一步提高性能，并有助于提高熔炉总产量，降低成本。” AGY 表示同意，并指出随着复合增强材料变得更加专业化，纤维直径或微米级的范围也变得更加多样化。尽管 OCV 认为 17 和 24μm是最受欢迎的直径，但其增强产品的直径范围为 4 至32μm，而 AGY 的产品通常在 4 至 9 μm范围内。 Walker 指出，所有玻璃纤维制造商都希望每小时生产尽可能多的玻璃纤维。卷绕技术的进步使生产商的效率提高了三倍。 Walker 解释说：“我们现在一次处理更多的包裹； 20 年前，我们可能使用了两个包装，而现在通常使用六个。”（参见“第 5 步”。）
第 4 步：上浆
在最后阶段，应用化学涂层或上浆剂，上浆剂通常是添加量为 0.5%至2.0%重量百分比，可包括润滑剂、粘合剂和/或偶联剂。润滑剂有助于保护长丝在它们被收集并缠绕成成型包装时以及随后当它们被织布工或其他加工商加工成织物或其他增强形式时免于磨损和断裂。偶联剂使纤维对特定的树脂化学成分具有亲和力，从而改善树脂的浸润性并加强纤维-基体界面处的粘合力。某些上浆剂仅与聚酯树脂相容，有些仅与环氧树脂相容，而另一些可与多种树脂一起使用。 AGY、OCV 和 PPG 一致认为上浆剂对玻璃纤维性能至关重要，并且每家公司都认为其上浆剂是专有的。 PPG 认为，在许多复合材料应用中，通过上浆剂实现性能的效果与玻璃配料化学一样有效。例如，据报道，其 2026 上浆剂与 HYBON 产品一起用于风力叶片，通过提高纤维浸润性和纤维对所有树脂类型的附着力，将叶片疲劳寿命提高了一个数量级。
第 5 步：干燥/包装
最后，将拉伸、上浆的长丝聚集在一起形成一束，形成由 51 到 1,624 根长丝组成的玻璃原丝。股线缠绕在鼓上，形成类似于线轴的成型包装。成型的包装，由于水冷和上浆而仍然湿润，然后在烘箱中干燥，然后将它们准备好码垛并运输或进一步加工成短切纤维、粗纱或纱线。粗纱是一组很少或没有捻度的股线。例如，由 10 到 15 股绞合在一起制成多头粗纱包的组装粗纱需要额外的处理和加工步骤。纱线由一根或多根股线制成，这些股线可以加捻以在后续加工操作（例如编织）期间保护纱线的完整性。一种工艺，多种产品 虽然基本的玻璃纤维工艺自 80 年前商业化以来变化不大，但已经经历了许多改进。玻璃纤维制造的历史上有两条连续的线索：提高产量和降低成本的动力，以及提高成品性能的愿望。制造商继续在这两个方面向前推进，以寻求玻璃纤维增强复合材料的更新应用。（来源：复合材料与工程）
相关文章推荐：
中国巨石如何成为全球玻纤行业领军企业？探寻其高质量发展动力之源
高性能碳纤维复合材料应用规模在未来3-5年有望突破 进入快速放量期
无苯乙烯树脂走向工业舞台！AOC力联思树脂助力英国紧急建造防疫病房
纪实|累并快乐着，小众实干派！这里有一群为复合材料奋斗终生的人！
剑在手，问天下谁是英雄！--FRP渔船制造 真空树脂导入成型 手糊成型工艺PK
无蜡垢更好用！玻璃钢专用脱模蜡——美国Stoner蜜蜡250脱模蜡，您值得拥有！
还在为车间气味、粉尘、废料处理等问题发愁吗？新型VPI硅胶真空成型工艺为您轻松搞定
打印
