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冷却塔增强材料-玻璃钢纤维

发布日期:2017-01-18   点击数: 663

玻璃钢是一种复合材料,在复合材料中,增强材料作为分散相,树脂基体作为分散介质,互相构成一个整体结构。在增强材料和基体树脂之间还存在增强材料-基体界面,即称为第三相。这三个单元的有机组合,使复合材料具有增强材料或基体树脂单独存在时所不具备的优良性能。

增强材料种类很多,总的可分为有机纤维和无机纤维两大类。属有机纤维的有合成纤维、棉、麻、纸等;属无机纤维的有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、聚酯纤维(合成纤维)、陶瓷纤维、石英和高硅氧纤维、金属纤维等。其中又分为长纤维增强材料和短纤维增强材料。

玻璃纤维可分为以下6 种:E 玻璃(是最早用来生产电绝缘用连续玻璃纤维的一种玻璃成分);C 玻璃(是一种钠硼硅酸盐玻璃,具有较好的耐酸性和耐水解性能);A 玻璃(属于膏碱含量的钠钙硅酸玻璃,是窗用平板玻璃);D 玻璃(是一种介电玻璃,用于高效能电子应用);S 玻璃(是一种高强度玻璃,用于火箭发动机壳体、高性能飞机部件等);M 玻璃(是一种含氧化铍的高弹性模量玻璃、相对密度较大,故比强度较低)。其性能特征见表11-1′,我国几类玻璃纤维主要性能见表11-2。

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制造冷却塔用的属E 玻璃纤维,主要是无碱玻璃纤维、无捻玻璃纤维及中碱玻璃纤维,故分别作简要论述。


无碱玻璃纤维

无碱玻璃纤维在国外为通用玻璃纤维,占产量的90 %以上,在国内也是应用最多的类型之一。无碱纤维其含碱量在1 %以下,而低碱纤维含碱量在2 %~6 %;有碱(含中碱)纤维含碱量在10 %~16 %之间。

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无碱玻璃纤维布的品种、规格、性能见表11-3。 无碱玻璃纤维抗拉强度比钢丝还高,与金属材料比重量较轻,与金属铝相当;抗疲劳强度高,对须经受冲击负荷的结构材料而言也是重要优点;优异的电性能,绝缘强度高,介电常数低;尺寸稳定性好,在最大应力条件下,伸长率仅3 %~4 %;耐温高,在343 ℃时,抗拉强度扔保留50 %;化学稳定性好,耐候性好,除强酸外,不受任何化学物侵蚀;导热系数高,用作电绝缘材料时能迅速散热;几乎不吸水,遇火不燃烧、不冒烟。

无碱玻璃纤维的一系列优异性能和特点使它成为近代工业中应用最广泛的增强材料、电绝缘材料和工业材料。

中碱玻璃纤维

中碱玻璃纤维布的规格及机械性能见表11-4。

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中碱玻璃纤维与无碱玻璃纤维相比强度较低,在相同的试验条件下,无碱玻璃纤维抗拉强度为3120MPa(312kgf/mm2),中碱玻璃纤维抗拉强度为2680 MPa(268kgf/mm2)。玻璃纤维的电性能取决于玻璃成分中的碱金属氧化物含量。试验表明在300 ℃时,碱金属氧化物含量为0.5 %的无碱玻璃纤维电阻为12.3×1011Ω,而碱金属氧化物含量为2 %的低碱玻璃纤维电阻为1.06×1011Ω。碱金属氧化物含量的增加会显著降低玻璃纤维的电性能。

我国早期的无碱玻璃纤维标准规定碱金属氧化物含量不大于2 %,以后根据电绝缘材料部门的要求,将标准定为0.8 %以下。碱金属氧化物含量是影响电性能的关键指标,国外一些企业为保证产品质量,内容实际严格控制在0.5 %左右。由此可见,中碱玻璃纤维不宜用于电绝缘方面。中碱玻璃纤维的其他性能与无碱纤维相仿。化学稳定性良好,耐酸性优于石碱纤维,而且价格比无碱纤维低,在无有关性能要求的领域中,也是一种良好的工业材料和增强材料,至今在我国连续玻璃纺织制品中仍然是用量最大的玻璃纤维类型之一。

无捻玻璃纤维

无碱、中碱、高碱、高强等连续玻璃纤维原丝,都可以通过纺织加工制作成适应各种用途所需要的无捻粗纱、有捻纱线、织物等纺织制品。在加工过程中,某些特性可能因工艺过程、制品结构形态的改变或表面化学处理的影响而略有变化,但其基本特性仍将保持不变。

无捻纤维是平行排列的,拉伸强度很高,由于纤维不加捻,故较松散,易被树脂浸透。无捻纤维可分为无碱无捻纤维、中碱无捻纤维等。无捻粗纱可直接用于增强塑料,也可短切后使用。冷却塔制作中,强度层采用300g/m2的短切毡和中碱0.4mm布,交替与191 树脂糊制;内衣层的内表层采用300g/m2 无捻短切毡与189 树脂糊制。

国产无碱无捻几种主要玻璃纤维纱的规格及物理机械性能见表11-5。

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无捻粗纱按玻璃成分可划分为:E 玻璃无捻粗纱和C 玻璃无捻粗纱,生产玻璃粗纱所用的纤维直径为13~23μm 。无捻粗纱的号数从150 号到9600 号。

无捻粗纱表面被覆有各种不同的浸润剂,这些浸润剂系统都是适合不同玻璃钢工艺方法、产品性能、树脂系统而设计和选定的,就与树脂系统相容性而言,必须了解所选用的无捻粗纱与所用树脂系统(环氧、聚酯、酚醛)是否相容。

根据不同用途,无捻粗纱可分为:喷射用无捻粗纱、SMC用无捻粗纱、缠绕用无捻粗纱、拉挤用无捻粗纱、织造用无捻粗砂、预型体用无捻粗纱、管道用无捻粗布、透明波形瓦用无捻粗纱、增强热塑性塑料用无捻纱、混合无捻粗纱等。SMC即片状模塑料,主要用于压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、座椅等。

玻璃纤维毡

1. 短切原丝毡

将玻璃原丝(有时也用无捻粗纱)切割成50mm 长的短纤维,将其随机但均匀地铺在网带上,随后施以PVAc 乳液黏结剂或散布上聚酯类粉末黏结剂经加热固化后黏结成短切原丝毡。所用玻璃原丝单丝直径10~12μm ,原丝集束根数为50 根或100 根,对于单位面积质量低的短切毡,为使毡面纤维分布均匀,须降低原丝集束根数(如50 根)。短切毡中黏结剂含量一般为3 %~6 %。短切毡的供货宽度可按使用要求,短切毡机组生产出来的宽度为1.02m、2.04m、3.06m 。短切毡的面积质量范围为150~900g/m2,使用最多的通常为450g/m2。

对于短切原丝毡的质量要求为:沿宽度方向面积质量均匀;短切原丝在毡面中分布均匀,无大孔眼形成和黏结剂分布均匀;具有适中的干毡强度和可以较容易地将其撕开;具有优良的树脂浸润及浸透性,减少气泡数量,有利于辊平制品,驱除气泡。

2. 连续原丝毡

将拉丝过程中形成的玻璃原丝或从原丝筒中退解出来的连续原丝呈8 字形铺敷在连续移动网带上,经粉末黏结剂黏合而成。单丝直径从11~20μm ,原丝集束根数以50 根、100 根为佳,单位面积质量范围为150~650g/m2。

连续玻璃纤维原丝毡中纤维是连续的,故其对复合材料的增强效果比短切毡好。主要用在拉挤法、RTM法、压力袋法及玻璃毡增强热塑料(GMT)等工艺中。

连续原丝毡所用粉末黏结剂一般为两种,一种是在苯乙烯中高溶解度的,这种毡适用于拉挤成型;另一种黏结剂为低溶型的,适用于RTM 工艺,由于黏结剂在苯乙烯中溶解度低,故在树脂压力下纤维不易随树脂被冲刷掉。

还有玻璃纤维薄、针刺毡、短切原丝和磨碎纤维等,因与冷却塔制作关系不大,故不做论述。

玻璃纤维原丝系列及代号

1. 纤维直径及号数

(1)纤维直径

纤维直径是玻璃纤维与矿物棉的主要特性之一。纤维直径对生产工艺、制品性能、价格都有直接影响。纤维直径、根数不同,能组合成众多不同细度的原丝,而原丝又是玻璃纤维制品的基本组成单元,组织的变化会使制品规格繁多。为此各国都实施原丝系列化工作,将纤维划分为不同系列。

在国外玻璃纤维与矿物棉制品介绍时常用各种各类英文字母,实际上这些字母是纤维直径的一种代号,在表11-6 中给出英文字母对应的纤维直径范围。如表中G 纤维,就是直径为9μm (8.89~10.12μm)的纤维。

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(2)纤维代号

公制号数也即tex ,是指每1000m 玻璃纤维纱或原纱克重数,用式表示为:

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式中 NT——原纱或纱线的线密度(tex );

G——原纱或纱线的质量(g );

L——原纱或纱线的长度(m )。

公制支数为单位质量的纱线或原线长度:

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特克斯与支数关系为:

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11-6 和表11-7 为玻璃纤维直径代号、纱支号数及英制支数及单丝数目对应表。英制支数是每磅重玻璃纤维纱以码表示的长度的1 %。它与特克斯是玻璃纤维行业中最常用的两种表示玻璃纤维纱、无捻粗纱的两种单位制,两者的换算式为:

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CT75 纱为例,75 为英制号数,它代表每磅重的这种玻璃纤维纱长7500 码,故其对应的公制号数即tex 数为496055/7500 =66 。

在生产实践中,纤维直径(in),每根原丝所含单丝根数及纤维密度(g/cm3)都是已知数据,根据这些数据可按下式计算出每磅纤维的长度(码数):

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式中 Y——每磅原丝的码长;

n——原丝中单丝根数;

ρ——纤维密度(g/cm3);

d——单丝直径(in)。

计算出Y 值即可按式(11-1)计算出原丝公制号数。如已知原丝中单丝根数为400 ,玻璃纤维密度为2.52g/cm3 ,丝维直径为0.00036in (G )则:

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说明该玻璃纤维纱为G75 。

2. 玻璃纤维纱和织物代号

(1)无捻粗纱 按照GB4202《玻璃纤维纱代号》国家标准规定,无捻粗纱的玻璃成分、纤维类别、单丝直径、粗纱线密度都在其代号中表示。例如:

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有关无捻粗纱的详细规格要求,E 无捻粗纱可查行业标准JC/T 277 ;C 无捻粗纱可查JC/T 278 。相关的国际标准ISO 2797 纺织玻璃纤维—无捻粗纱—规格基础,日本工业标准为JIS R3412 玻璃纤维无捻粗纱。

(2)无捻粗纱织物

按照GB 4202《玻璃纤维布、带、管代号》国家标准规定,无捻粗纱织物的玻璃纤维类型、织物类别、单位面积质量均在代号中表示,如果上述各项都一样的织物,还有织物结构方面的差异,可在后面再加上结构类别代号。例如:

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国外无捻粗纱织物代号仅一点与我国不同,其代号中的数字为布的单位面积质量(g/m2)。我国E 无捻粗纱布查标准JC/T 281 ,C 无捻粗布查标准JC/T 576 。

(3)玻璃纤维纱的代号

按照GB 4202《玻璃纤维纱代号》国家标准规定,其类型、类别、直径、密度、合股数、最终捻向、最终捻度都在代号表示,采用国际单位制(公制)。

1)单纱:

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2)股纱:

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3)绳:

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浸润剂

玻璃钢生产厂家购买玻璃纤维时,必须指定购买使用增强型浸润剂的纤维。在物理学中,浸润名词的定义为:“当液相与固相接触时,液相可以沿着固相表面不断扩展并相互融合,此现象称为浸润,反之液相表面不断缩小,则称之为不浸润。”浸润剂这一名词就是从这个定义衍生得来。浸润剂是玻璃纤维的重要组成。

在纤维表面涂覆一种有机物涂层既能有效地润滑纤维表面,又可以使数百根乃至数千根单丝集束。过去把这种有机物系(溶液、乳状液或膏状、触变型胶体等)称作玻璃纤维润滑油或胶水,这种名称不能全面地说明问题实质。实际上这种有机物不只是一般地润滑纤维和黏结单丝,还对纤维原丝发生完全润湿和浸透。有些“润滑油”甚至在纤维中还和其他一些被覆的有机物发生相似的浸润过程或物理化学等作用。因此把这些有机物体系称作连续玻璃纤维浸润剂更为恰当。

1. 浸润剂对玻璃纤维的重要性

(1)浸润剂是玻璃纤维生产、加工所必须的涂敷物。在高速拉制极细的玻璃纤维过程中,纤维表面没有涂敷一层润滑剂、黏结性的物质,不仅会因磨损严重致使拉丝作业无法进行,而且若数百根乃至数千根表面光滑又分散的单丝,根本无法加工成某种实用产品。

(2)浸润剂能有效地改变玻璃纤维的某些缺陷和表面性质,使玻璃纤维及其织物更广泛地应用。

(3)对各种不同的玻璃纤维复合材料成型工艺,必须有专用的浸润剂与之配套,浸润剂赋予玻璃纤维制品(无捻粗纱、毡、织物)以各种成型工艺及玻璃钢制品所必需的技术性能,如穿透性、浸透性、硬挺性、切割性、分散性、成带性等。可以说,浸润剂技术的发展是玻璃纤维工业及FRP 工业发展的先决条件之一。 2. 浸润的作用

(1)润滑——保护纤维。此作用贯穿于拉丝和纤维加工全过程。

润滑作用包括原丝拉丝过程中的湿润剂和原丝筒后加工过程中所需要的干润滑两种。在拉丝过程中,需由浸润剂中“湿润滑组分”使玻璃纤维原丝与涂油器(单丝涂油器或半轮式涂油器)及集束槽之间保持一定润滑作用,避免两者间摩擦系数过大而引起原丝张力过大。在原丝张大时极易造成飞丝及原丝退解困难的弊病。

在原丝筒干燥后(自然干燥或烘干)络纱、退解、织造或制毡过程,浸润剂中“干润滑组分”必须赋予原丝良好的滑爽性,以防止因机械磨损而产生毛丝。

在某种情况下,一种润滑剂可同时起到湿润剂及干润剂两种作用,但多数情况下,必须有两种润滑剂配合才能达到上述效果。

(2)黏结——集束单丝。使原丝保持其完整性,减少散丝或断丝,便于纺织加工及退解无捻粗纱并短切纱(BMC、SMC、短切纱毡、波形瓦用纱)短切过程中,保持纤维不开纤,保持纤维集束的完整性。

(3)纺织纤维表面静电荷积累。此种性能对SMC用纱、短切毡、连续原丝毡用原丝特别重要。

(4)为纤维提供进一步加工和应用所需的特性。如短切性、成带性、分散性等,特别是可被热固性或热塑性树脂以及橡胶或水泥等基材迅速浸润等性能。

(5)使纤维获得与基材有良好的表面性能,如与基材的相溶性及化学结合或化学吸收等性能。

上述5 个作用的最终结果使纤维能顺利生产和进一步加工,并使玻璃纤维增强制品具有理想的物理、力学、化学、电学及耐老化等应用性能。

3. 浸润剂应有以下方面性能要求

(1)适当的黏结性。其润滑——黏结性能应恰到好处,保持适当的平衡,并易于润湿和浸透原丝。

(2)良好的成膜性。易于润湿纤维表面,涂层均匀。具有足够的耐磨性和机械强度,且与玻璃纤维有足够的黏结强度。

(3)足够的稳定性。贮存过程,在拉丝时的高速剪切作用以及四季温度变化等情况下,都能保持浸润剂体系的一定均一性和黏度范围。

(4)原料来源丰富。价格较低,使用卫生、无毒、安全、贮存及使用过程中稳定性好。 特殊性能的浸润剂,要求组分间相对惰性,并通过特定原料提供与玻璃纤维和其他高分子聚合物都有良好的性能。其各组分的综合作用结果,赋予原丝和粗纱不同的硬挺性,浸透性、短切性和分散性等。

4. 浸润剂组分及分类

浸润剂是一种混合物体系,从外观看可以是溶液、乳状液、解变型胶体或膏体。因其作用和性能多样,故其组分亦相当复杂。主要组分是黏结剂、润滑剂及偶联剂、分为纺织型浸润剂、增强型浸润剂和增强纺织型浸润剂三类。

(1)浸润剂组分

1)浸润剂组分的黏结剂,亦称作成膜剂或集束剂。是实现单丝集束,并保持原丝完整性和提供原丝硬挺或柔软性的主要组分。此组分占浸润剂组分的2 %~15 %,用量最多,故对浸润剂的其他性能和作用有重要影响,是浸润剂关键部分之一。

2)润滑剂,亦有平滑剂之称。这里是指在湿态(拉丝过程中)和干态(原丝退并、纺织等加工时)超润滑表面、减少磨损作用的物质。在浸润剂组分中用量一般为0~5 %,不同用途的浸润剂其润滑剂的类型和用量有较大差别。

3)偶联剂,亦有称中间黏结剂和表面处理剂。偶联剂是通过本身的两种不同性质,把纤维与树脂等高聚物结合起来,使玻璃纤维增强材料获得理想的应用效果。在浸润剂组成中用量较少,仅约0.2 %~0.6 %。这种浸润剂是增加型浸润剂特征之一。

除上述三组组分外,浸润剂的其他组分都可称作辅助成分或添加剂,它们为:

4)润湿剂。是一种具有表面活性的物质,可降低浸润剂体系的表面张力至0.035N/m以下,使浸润剂更易润湿玻璃纤维表面达到均匀浸透原丝的效果。润湿剂的另一个作用是改善高聚物对被覆有浸润剂的玻璃纤维表面的浸润和向原丝内部即单丝间的浸透性。对增强型浸润剂来说,此组分是很重要的,但不是所有的配方中都需要加入此组分。

5)p H 调节剂。一般使用有机酸,多数是用于调节浸润剂体系的稳定性和保证偶联剂的最佳使用效果。一般配方的p H 值在4~7 范围内,个别浸润剂,如保证其稳定性或偶联剂的最佳效果,亦有控制p H 值为11 左右,但较少见。

6)防静电剂。可以有效地降低玻璃纤维在加工及使用过程中的静电作用,特别是在需要短切加工的玻璃纤维浸润剂中使用。

7)防腐剂或杀虫剂。只在浸润剂其他组分有腐败、发霉等变质时才使用。一般用已萘酚或B 萘酚,用量极微。

8)增强、柔软等改性剂。专门为改变成膜剂原有性能而加入浸润剂体系中的物质。只有在成膜或浸润剂体系提供的性能不能满足需要时才使用。

9)颜料。一般仅在某些玻璃纤维厂的“纺织型浸润剂”中使用,以区别各种不同用途的配方。使用时应根据不影响浸润剂的均一性,合理选用颜料类型。

(2)浸润剂的类型

根据浸润剂的作用和组分性能,可把玻璃纤维浸润剂分为以下三类,简述如下:

1)纺织型浸润剂

是纺织用纱使用的浸润剂,这类浸润剂仅提供拉丝和纤维纺织加工工艺性能。用纺织型浸润剂拉制的纤维及其织物,因耐水性、耐老化性差,不能直接用作增强材料。

2)增强型浸润剂

增强型浸润剂的性能、作用和使用的原料和纺织型浸润剂有较大差别。严格来说只有同时具有以下两种特征的浸润剂才称作增强型浸润剂:一是浸润剂配方中使用偶联剂;二是浸润剂和各组分与被增强的树脂、 橡胶或其他基材有特定的相溶性或反应性,以及不影响或较小影响偶联剂效果。

增强型浸润剂品种较多,从其纤维二次加工形式分,有短切和连续纤维浸润剂两种;从浸润剂与被增强基材的相容性快慢来分,有速溶、中溶和难溶型等多种。一般连续法、喷射法以及手糊成型玻璃钢用的浸润剂,都要求具有速溶性特点,其他成型方法因其制造工艺不同,要求浸润剂的溶解性亦各不相同。

3)增强纺织型浸润剂

针对纺织型浸润剂中必须经后处理热清洗除去及一般增强型不能满足细纱薄布纺织性能的要求,研制出增强效果好,同时又可满足纺织性能的增强纺织型浸润剂。目前国内已研制开发N—140 等系列增强纺织型浸润剂,用于玻璃纤维三向织物等领域,现正在进一步推广之中。









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