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探秘玻璃钢:神奇材料的多面魅力,玻璃钢知识总结


更新时间:2024-12-27 15:58:17   浏览:45次访问  


一、玻璃钢的定义与本质

玻璃钢,一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体,以玻璃纤维或其制品做增强材料的增强塑料,称为玻璃增强塑料,也被称为玻璃钢。本质上,它是一种特殊的塑料,既不同于普通塑料,又与玻璃和钢材有着明显的区别。从材料组成来看,玻璃钢是由合成树脂和玻璃纤维及其制品共同构成。合成树脂作为基体,起到粘结玻璃纤维的作用,就如同水泥在钢筋混凝土中的作用一样。而玻璃纤维则是主要的受力材料,它高强轻质,性能突出。将玻璃高温融化后拉成纤维细丝,其强度会大大增强,可提高复合材料的低温抗冲击性及刚度,减少聚合物基体的低温收缩。与普通塑料相比,玻璃钢具有质轻而硬、不导电、性能稳定、机械强度高、耐腐蚀等优点。普通塑料通常强度较低,容易变形,而玻璃钢由于玻璃纤维的增强作用,强度相当于钢材,同时又具有塑料的一些特性。例如,其密度介于 1.5~2.0 之间,只有普通碳钢的 1/4~1/5,比轻金属铝还要轻 1/3 左右。这使得玻璃钢在一些对重量有严格要求的领域,如航空航天、交通运输等,具有很大的优势。玻璃钢虽然本质上是塑料,但它不是普通的塑料,而是一种经过特殊工艺处理的纤维增强复合材料。它的出现,为各个领域的材料选择提供了更多的可能性。二、玻璃钢的发展历程(一)世界发展轨迹1942 年,美国军方用手糊工艺制成的玻璃钢制作雷达天线罩,玻璃钢首次作为结构材料出现。20 世纪 50 至 60 年代,玻璃钢开始用于民用建筑和桥梁结构中,均为手糊工艺制成。如 1961 年英国一座教堂的尖顶采用了玻璃钢;1968 年英国工程师用玻璃钢板和铝制骨架建造了穹顶和全玻璃钢折板结构仓库;1970 年,英国建成一座玻璃钢连续梁的人行天桥。此后至 20 世纪末,玻璃钢在工程结构中的应用越来越多,但大多是附属性、临时性构件,优越性能未充分发挥。20 世纪末 21 世纪初,尤其是美国北岭地震和日本阪神大地震后,玻璃钢等纤维增强复合材料加固补强混凝土结构技术在工程中得到良好应用,其优越性能被工程界逐渐认可,开始以各种形式应用于各类土木与建筑结构工程中。20 世纪初至今,随着玻璃纤维、合成树脂等原材料产业的发展和各种新技术新设备的涌现,玻璃钢工业得到长足进步,形成了从原材料、成型工艺、成型设备到性能测试等较完整的工业体系。(二)中国发展之路中国于 1958 年成功压制第一块玻璃钢板,开始探索在混凝构件中用玻璃纤维束代替钢筋,标志着中国玻璃钢工业正式诞生。此后,玻璃钢在结构工程中的应用与研究逐渐增多。1972 年,在云南建造一个直径为 44m 的球形玻璃钢雷达天线罩;1982 年,在北京密云建成一座跨径 20.7m 的玻璃钢蜂窝箱梁公路桥,是世界上第一座纤维增强复合材料公路桥。20 世纪末至今,中国玻璃钢在生产技术、产品种类、生产规模等方面已形成较为完善的工业体系,工艺技术及装备与国际同步,产品种类齐全,标准化体系和研发生产测试体系不断完善,从业人员不断增多,产品应用领域不断扩大。我国的玻璃钢工业发展历程大致可分为两个阶段:以 1978 年 12 月份召开的中共 11 届三中全会为界。此前,致力于国防军工,为我国玻璃钢工业发展打基础;此后,生产社会化,国家经济建设与人民生活所需的玻璃钢工业日趋发展。1957 年,在北京管庄的建材研究院与上海耀华玻璃厂先后以坩埚拉制出了无碱玻璃纤维。1959 年在厦门、杭州、南京、天津、哈尔滨,次年在沈阳、常州、秦皇岛、洛阳、九江建立了玻纤厂或车间,为发展玻璃钢工业创造了物质条件。1966 年,建材部从英国引进不饱和聚酯树脂生产线,在常州二五三厂投产,对嗣后国内玻璃钢发展起了极大的启蒙和基础性的作用。三、玻璃钢的原理与性能(一)形成原理玻璃钢由玻璃纤维及其制品与合成树脂制成。在玻璃钢中,玻璃纤维作为主要受力材料,具有高强轻质的特点,能极大地提高复合材料的低温抗冲击性及刚度,减少聚合物基体在低温下的收缩。而树脂基体则起到将纤维粘结在一起的作用,当复合材料受到载荷时,聚合物基体通过剪切作用均匀地将应力分配给纤维,使纤维受力均匀,从而形成所需要的制品或构建形状。就如同钢筋混凝土中,钢筋承受拉力,混凝土将钢筋粘结在一起并承受压力一样,玻璃纤维与合成树脂在玻璃钢中相互配合,共同发挥作用。(二)性能指标玻璃纤维的性能参数众多,比重一般较小,拉伸强度高,弹性模量较大,热胀系数较低,延伸率适中,具有较高的比强度和比模量等。树脂基体的性能参数包括热变形温度、拉伸强度、延森率、压缩强度、弯曲强度、弯曲模量等。玻璃钢自身的性能参数有抗拉强度、屈服强度、受拉弹性模量、极限伸长、热膨胀系数、密度等。例如,玻璃钢的密度介于 1.5~2.0 之间,只有普通碳钢的 1/4~1/5,比轻金属铝还要轻 1/3 左右,而其拉伸强度可达到 400MPa 以上,某些环氧玻璃钢的拉伸、弯曲和压缩强度均达到这个水平。按比强度计算,玻璃钢不仅大大超过普通碳钢,而且可达到和超过某些特殊合金钢的水平。(三)各类玻璃钢性能1.聚酯玻璃钢性能◦聚酯玻璃钢品种繁多,是国内使用最多的一种玻璃钢种类。按聚酯品种可分为邻苯型、间苯型、双酚型及丙烯酸型。其中,双酚型及丙烯酸聚酯玻璃钢具有较好的耐酸、耐碱性能,但不耐氧化性能,使用温度不宜过高。◦聚酯玻璃钢具有一定的机械强度和良好的附着力,在一些工业领域如化工设备、汽车外壳等方面得到广泛应用。据统计,在国内玻璃钢市场中,聚酯玻璃钢的占比达到 [X]% 左右。2.环氧玻璃钢性能◦环氧玻璃钢的物理力学性能与使用固化剂的品种有密切关系。环氧树脂原始状态粘度低,流动性好,可更好地浸润纤维表面,形成完整的结合界面。固化后,固化物具有良好的力学性能,粘结强度大,常用作纤维增强复合材料基体材料。◦研究表明,因 MFE-2 环氧乙烯基玻璃钢比 189 不饱和聚酯玻璃钢的酯基密度较低,在海洋环境中具有更好的耐久性。树脂分子链上的酯基在海水环境中会发生水解反应、受紫外光攻击而分解,还会吸附水分子,使分子链断裂,破坏玻璃钢。例如,在海洋工程领域,环氧玻璃钢常用于制作海底管道、海洋平台结构件等,其使用寿命可达 [X] 年以上。3.酚醛玻璃钢性能◦酚醛玻璃钢密度小,机械强度高。与聚酯玻璃钢相比,具有更高的强度、更低的密度、更好的耐高温性能。酚醛玻璃钢燃点较高,属于难燃材料,在剧烈燃烧时表面产生碳化结构阻碍材料进一步燃烧,与聚酯玻璃钢相比防火性能更好、毒性相对更低。◦酚醛玻璃钢常用于一些对耐高温和防火性能要求较高的场合,如高温管道、防火门等。在一些特殊的工业环境中,酚醛玻璃钢能够发挥其独特的性能优势,确保设备的安全运行。四、玻璃钢的生产工艺(一)手糊成型法4.原理手糊成型工艺又称接触成型,是以加有固化剂的树脂混合液为基体,以玻璃纤维及其织物为增强材料,在涂有脱模剂的模具上以手工铺放结合,使二者粘接在一起,制造玻璃钢制品的一种工艺方法。基体树脂通常采用不饱和聚酯树脂或环氧树脂,增强材料通常采用无碱或中碱玻璃纤维及其织物。5.成型工艺流程先在清理好或经过表面处理的模具成型面上涂抹脱模剂,待充分干燥好后,将加有固化剂(引发剂)、促进剂、颜料糊等助剂并搅拌均匀的胶衣或树脂混和料,涂刷在模具成型面上,随后在其上铺放裁剪好的玻璃布(毡)等增强材料,并注意浸透树脂、排除气泡。重复上述铺层操作,直到达到设计厚度,然后进行固化脱模。6.成型设备手糊成型工艺所用的设备较少,制作模型的设备有木工车床、木工刨床、木工圆锯;脱模一般会用到空气压缩机、吊装设备等。(二)缠绕成型法7.原理纤维缠绕工艺是树脂基复合材料的主要制造工艺之一。是一种在控制张力和预定线型的条件下,应用专门的缠绕设备将连续纤维或布带浸渍树脂胶液后连续、均匀且有规律地缠绕在芯模或内衬上,然后在一定温度环境下使之固化,成为一定形状制品的复合材料成型方法。8.成型工艺流程主要介绍湿法缠绕工艺流程:打磨喷漆→胶液配制→纱团集束→固化→浸胶→脱模→张力控制→纵、环向缠绕→芯模制造→制品。9.成型设备纤维缠绕机是纤维缠绕技术的主要设备,按控制形式可分为机械式缠绕机、数字控制缠绕机、微机控制缠绕机及计算机数控缠绕机。纤维缠绕机通常由机身、传动系统和控制系统等几部分组成。辅助设备包括浸胶装置、张力测控系统、纱架、芯模加热器、预浸纱加热器及固化设备等。(三)拉挤成型法10.原理拉挤成型工艺是通过牵引装置的连续牵引,使纱架上的无捻玻璃纤维粗纱、毡材等增强材料经胶液浸渍,通过具有固定截面形状的加热模具后,在模具中固化成型,并实现连续出模的一种自动化生产工艺。11.成型工艺流程增强材料(玻璃纤维无捻粗纱、玻璃纤维连续毡及玻璃纤维表面毡等)在拉挤设备牵引力的作用下,在浸胶槽充分浸渍胶液后,由一系列预成型模板合理导向,得到初步的定型,最后进入被加热了的金属模具,模具高温的作用下反应固化,从而可以得到连续的、表面光洁、尺寸稳定、强度极高的玻璃钢型材。12.成型设备实现拉挤工艺的设备主要是拉挤机,拉挤机大体可分为卧式和立式两类。卧式拉挤机结构比较简单,操作方便,对生产车间结构没有特殊的要求,在拉挤工业中应用较多。拉挤机主要由送纱装置、浸渍装置、成型模具与固化装置、牵引装置、切割装置等五部分组成。(四)模压成型法13.原理热固性模压成型是将一定量的模压料加入预热的模具内,经加热加压固化成型塑料制品的方法。14.成型工艺流程模压成型工艺主要分为压制前的准备和压制两个阶段。15.成型设备(1)浸胶机:制备胶布的主要设备是浸胶机,由送布架、热处理炉、浸胶槽、烘干箱和牵引辊等几部分组成。根据热处理炉和烘干箱放置的位置,可以分为卧式浸胶机和立式浸胶机两种。(2)预浸料机组:所用设备有切割机、捏合机和撕松机。(3)片状模塑料机组:一个完整的 SMC 机组,大体由机架、输送系统、PE 薄膜供给装置、刮刀、玻璃纤维切割器、浸渍和压实装置、收卷装置等 7 个主要部分和玻璃纤维纱架、树脂糊的制备及喂入系统、静电消除器等 3 个必备辅助系统组成。(4)压机:压机是模压成型的主要设备。压机的作用是提供成型时所需要的压力以及开模脱出制品时所需的脱模力,现大多采用液压机。五、玻璃钢的分类(一)按树脂品种分类16.聚酯玻璃钢介绍◦聚酯玻璃钢是应用较为广泛的一种玻璃钢类型。其主要由聚酯分子材料制作而成,外观透明度高,这使得它在一些对外观有要求的场合具有优势。例如,某些户外广告牌的框架和面板就采用聚酯玻璃钢制作,既能保证一定的强度和稳定性,又能使广告内容清晰可见。◦聚酯玻璃钢具有良好的耐腐蚀性能,能够抵抗大气、水和一般浓度的酸、碱等溶剂的侵蚀。在化工行业中,可用于制作储罐、管道等设备,减少了因腐蚀而导致的设备损坏和维修成本。据统计,在化工防腐领域,聚酯玻璃钢的应用占比约为 [X]%。◦聚酯玻璃钢重量轻,强度高。其密度相对较低,只有普通碳钢的一部分,便于运输和安装。同时,其强度能够满足很多实际应用的需求,例如在一些轻型结构中,如自行车车架、运动器材等,聚酯玻璃钢既能保证结构的稳定性,又能减轻整体重量。17.环氧玻璃钢说明◦环氧玻璃钢主要由环氧树脂材料制作而成。环氧树脂含有两个及以上的环氧基团,与其他固化剂反应时更加激烈,从而使其在耐腐蚀和压力等级方面表现更好。◦在一些对耐腐蚀要求极高的环境中,如海洋工程、化工管道等领域,环氧玻璃钢发挥着重要作用。例如,在海洋石油平台的结构件中,环氧玻璃钢能够抵抗海水的腐蚀和海浪的冲击,确保平台的安全稳定运行。研究表明,在海洋环境中,环氧玻璃钢的使用寿命可比普通钢材延长 [X] 倍以上。◦环氧玻璃钢的压力等级高,使其适用于一些高压设备的制造。例如,在高压气体储存罐中,环氧玻璃钢能够承受较高的压力,同时保证良好的密封性和安全性。18.酚醛玻璃钢阐述◦酚醛玻璃钢由含有酚醛分子的树脂制作而成,具有质轻而硬的特点。其密度小,在一些对重量有严格要求的场合,如航空航天领域的内饰件、卫星结构件等方面具有应用潜力。◦酚醛玻璃钢不导电,性能稳定,这使其在电气绝缘领域有着广泛的应用。例如,在高压电器设备的绝缘部件中,酚醛玻璃钢能够有效地防止漏电和短路现象的发生,确保设备的安全运行。◦酚醛玻璃钢机械强度高,耐腐蚀。在一些高温、腐蚀性环境中,如工业炉窑的内衬、烟囱等部位,酚醛玻璃钢能够承受高温和化学腐蚀的考验,延长设备的使用寿命。同时,酚醛玻璃钢的燃点较高,属于难燃材料,在防火安全方面具有优势,可用于制作防火门、防火墙等建筑构件。(二)按增强材料类型分类19.玻璃纤维增强塑料◦玻璃纤维增强塑料是以玻璃纤维为主要增强材料的玻璃钢。玻璃纤维具有高强度、高模量的特点,能够显著提高塑料的力学性能。例如,在一些普通塑料制品无法满足强度要求的场合,如大型储罐、管道等,加入玻璃纤维后,材料的强度可提高数倍甚至十几倍。◦玻璃纤维增强塑料的密度相对较低,比普通钢材轻很多,这使得它在一些对重量敏感的领域,如交通运输、航空航天等方面具有优势。同时,它还具有良好的耐腐蚀性能,能够抵抗多种化学介质的侵蚀,延长使用寿命。20.碳纤维增强塑料◦碳纤维增强塑料是以碳纤维为主要增强材料的玻璃钢。碳纤维具有极高的强度和模量,比玻璃纤维更强。例如,碳纤维增强塑料的强度可以达到普通钢材的数倍甚至更高,而重量却只有钢材的几分之一。这使得它在一些对强度和重量要求极高的领域,如高端体育器材、航空航天等方面具有不可替代的优势。◦与玻璃纤维增强塑料相比,碳纤维增强塑料的价格要高很多。这是因为碳纤维的制造工艺复杂,成本较高。但是,在一些对性能要求极高的领域,如赛车、高性能飞机等,碳纤维增强塑料的高性能足以弥补其高价格的劣势。据统计,在高端体育器材市场中,碳纤维增强塑料的应用占比逐年增加,目前已达到 [X]% 左右。(三)按制造工艺分类21.手工层叠玻璃钢◦手工层叠玻璃钢采用手工涂层叠加纤维布与树脂的制造工艺。这种工艺具有灵活性高的特点,可以根据不同的形状和尺寸要求进行定制化生产。例如,在一些艺术雕塑、异型构件等领域,手工层叠玻璃钢能够实现独特的设计效果。◦手工层叠玻璃钢的制作过程相对简单,不需要复杂的机械设备,成本较低。但是,由于手工操作的局限性,其生产效率相对较低,产品质量也容易受到操作人员技术水平的影响。22.喷涂玻璃钢◦喷涂玻璃钢采用喷涂工艺将纤维和树脂同时喷涂在模具上制造。这种工艺可以实现快速生产,提高生产效率。例如,在一些大规模生产的场合,如汽车零部件、建筑装饰材料等领域,喷涂玻璃钢能够满足市场对产品数量的需求。◦喷涂工艺可以使纤维和树脂更加均匀地分布在模具表面,从而提高产品的质量和性能稳定性。同时,喷涂玻璃钢还可以通过调整喷涂参数,实现不同的表面效果和厚度要求。(四)按应用领域分类23.建筑玻璃钢◦建筑玻璃钢用于建筑领域的结构材料,如屋顶、墙板等。建筑玻璃钢具有质轻、高强、耐腐蚀、隔热、隔音等优点。例如,在一些大型工业厂房、体育场馆等建筑中,采用玻璃钢屋顶可以减轻建筑结构的自重,提高建筑的抗震性能。同时,玻璃钢墙板具有良好的隔热和隔音效果,能够为室内提供舒适的环境。◦建筑玻璃钢还可以用于建筑装饰领域,如雕塑、栏杆、装饰板等。其丰富的色彩和多样的造型可以为建筑增添艺术气息和现代感。24.船舶玻璃钢◦船舶玻璃钢用于船舶制造的玻璃钢材料。船舶玻璃钢具有重量轻、强度高、耐腐蚀、维护成本低等优点。例如,在一些小型游艇、渔船等船舶中,采用玻璃钢船体可以提高船舶的速度和燃油效率,同时降低维护成本。◦船舶玻璃钢还可以用于船舶内部的装饰和设备制造,如舱壁、座椅、控制台等。其良好的耐水性和耐腐蚀性能能够确保船舶内部设备的长期使用。25.污水处理玻璃钢◦污水处理玻璃钢用于污水处理设备,如储存槽、污水处理池等。污水处理玻璃钢具有耐腐蚀、耐磨损、密封性好等优点。例如,在污水处理厂中,采用玻璃钢储存槽可以储存各种污水和化学药剂,避免泄漏和污染环境。同时,玻璃钢污水处理池具有良好的耐腐蚀性和耐磨损性,能够长期稳定运行。◦污水处理玻璃钢还可以用于污水处理设备的管道和阀门等部件的制造。其良好的密封性和耐腐蚀性能能够确保污水处理系统的正常运行。26.汽车玻璃钢◦汽车玻璃钢用于汽车制造中的玻璃钢部件,如车身部件、车顶等。汽车玻璃钢具有重量轻、强度高、耐腐蚀、造型美观等优点。例如,在一些高端汽车中,采用玻璃钢车身部件可以减轻汽车的自重,提高汽车的燃油效率和性能。同时,玻璃钢车顶具有良好的隔热和隔音效果,能够为车内乘客提供舒适的环境。◦汽车玻璃钢还可以用于汽车内饰件的制造,如仪表板、座椅背板等。其良好的耐磨损性和造型美观性能够提高汽车内饰的品质和档次。六、玻璃钢的优缺点及选购方法(一)优缺点1. 优点•轻质高强:玻璃钢的密度一般在 1.5 - 2.0 之间,只有碳钢的 1/4 - 1/5,比轻金属铝还要轻 1/3 左右。但其拉伸强度可达到 400MPa 以上,某些环氧玻璃钢的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到这个水平。按比强度计算,玻璃钢不仅大大超过普通碳钢,而且可达到和超过某些特殊合金钢的水平。这种特性使得玻璃钢在航空、航天、交通运输等对重量有严格要求的领域具有很大的优势。•耐腐蚀性能好:玻璃钢具有出色的耐腐蚀性能,能够抵抗多种化学介质的侵蚀,包括酸、碱、盐等。在化工防腐领域,玻璃钢可用于制作储罐、管道等设备,减少了因腐蚀而导致的设备损坏和维修成本。据统计,在化工防腐领域,聚酯玻璃钢的应用占比约为 [X]%。•电性能好:玻璃钢是优良的绝缘材料,用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性,微波透过性良好,已广泛用于雷达天线罩等电气和电子领域的应用.