赵志强，刘 忠，徐 艳

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457）

玻璃纤维(GF)是一种性能优异的无机非金属材料，它是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，被广泛应用于冶金、化工、通讯、电子、建筑、航空航天、交通运输等领域。玻璃纤维的生产工艺分为两次成型的坩埚拉丝法和一次成型的池窑拉丝法。1958年，我国从国外引进了采用坩埚拉丝法制备玻璃纤维的技术，但是此方法存在工艺较繁杂、产量较低、性能不稳定和污染较大等多种问题[1]；
1980年，我国引入了池窑拉丝法生产工艺，目前池窑拉丝法已成为国际上主流的拉丝工艺，用此方法生产的玻璃纤维占全球总量的85%~90%。图1为池窑拉丝法工艺流程。

图1 池窑拉丝法工艺流程

玻璃纤维种类较多，主要根据玻璃纤维组成中碱金属氧化物的含量、玻璃纤维单丝直径以及玻璃纤维外观和特性进行分类[2]，玻璃纤维目前已能工业化生产，价格也比其他一些无机和有机纤维低[3]。玻璃纤维物理、化学性能优异，缺点是性脆、耐磨性较差[4]。玻璃纤维的物理性能主要表现在密度、断裂强度、伸长率等方面。表1列出了玻璃纤维与其他几种纤维的主要性能。从表1中可以看出玻璃纤维的密度高于有机纤维，低于金属纤维；
断裂强度比大多数纤维高，仅次于碳纤维；
最大伸长率为3%[5]。

表1 玻璃纤维与其他纤维的主要性能[5]

玻璃纤维凭借其自身可与其他材料复合增加刚性、导热系数小、耐热性好、高比电阻等性能，被广泛应用于过滤材料、增强材料、保温材料和电磁材料等方面。本文将从玻璃纤维的应用研究新方向综述玻璃纤维的最新情况。

用于过滤领域的材料主要有玻璃纤维针刺毡过滤材料、玻璃纤维覆膜过滤材料、玻璃纤维棉毡过滤材料、玻璃纤维过滤纸等。这里着重介绍玻璃纤维过滤纸。

玻璃纤维过滤纸是采用湿法造纸技术，将玻璃纤维或玻璃纤维与其他纤维材料的混合物经打浆、加黏结剂或者配加部分化学木浆抄造而成[6]，其成型过程如图2所示。玻璃纤维的长径比大，且表面带有电荷，容易相互缠绕而不易分开，造成分散困难，更容易发生纤维絮聚[7]；
另外，玻璃纤维表面光滑、脆性大、纤维之间的结合力较低，导致玻璃纤维纸的物理强度低，在机械作用下压折成所需过滤材料的过程中容易造成纸张破坏[8]，因此需要对玻璃纤维进行分散处理和树脂增强。

图2 玻璃纤维滤纸成型流程图

1.1 分散处理

玻璃纤维的分散处理主要依靠添加分散剂、调节浆料的pH和浓度等手段。张素风等[9]通过使用不同溶剂对玻璃纤维进行处理，发现用苯酚-四氯乙烷溶液处理后玻璃纤维的分散效果最好。陈清等[10]研究发现，玻璃纤维的适宜分散纤维长度范围为10~12 mm，同时添加六偏磷酸钠的浆料中玻璃纤维的分散性最好。张诚等[11]探讨了玻璃纤维在不同pH值溶液中的分散情况，发现在pH=3.5时的分散效果最好。TANG等[12]分析了6种分散方法，通过评价分散性能，发现分散时间和强度对折叠后纸张的强度有影响，因此在分散过程中，要避免纤维的剪切。郑新苗等[13]发现在pH=2.5、浆料浓度低于0.1%、分散剪切速率为2 000 r/min时，玻璃纤维的分散效果较好。徐永建等[14]探究得出，当pH=2.5、浆料浓度为0.01%~0.03%时玻璃纤维的分散效果较好。

1.2 树脂增强

玻璃纤维湿法成型之后，由于玻璃纤维之间没有结合力，导致制备的玻璃纤维滤纸强度较差，需要通过使用树脂增强玻璃纤维滤纸的强度，目前常用的增强树脂为酚醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂和水性聚氨酯等。VU等[15]制备环氧大豆油对酚醛树脂进行改性，以此作为黏结剂对玻纤复合材料预浸渍，浸渍之后复合材料的弯曲强度和冲击强度大幅提高。胡雅[16]利用氧化还原石墨烯对酚醛树脂进行改性，并将其应用于玻璃纤维棉毡中，玻璃棉毡的力学性能有所提高。何晓娜等[17]采用纳米氢氧化铝进行丙烯酸树脂改性，并用于玻璃纤维网格布的涂层，结果表明丙烯酸树脂可以在玻纤网格布上形成均匀致密的薄膜，玻璃纤维网格布的断裂强力和极限氧指数值均增大。徐煜东等[18]采用纳米SiO2粒子对双酚A型环氧树脂进行改性，并将其涂覆到玻璃纤维表面，结果表明能够对玻璃纤维很好的浸润，使其拉伸性能明显提高。刘造芳等[19]以水性聚氨酯为黏结剂基体，对玻璃纤维进行涂覆处理，涂覆后玻璃纤维棉毡的耐磨性、拉伸性能、染色性都显著提高。

1.3 过滤机理

根据“单纤维过滤理论”，玻璃纤维过滤机理可以分为惯性碰撞、重力沉积、布朗扩散、直接拦截、静电效应等[20]，如图3所示。

图3 玻璃纤维过滤机理[20]

对纤维过滤理论的研究最早开始于20世纪30年代对空气过滤的研究。ALBRECHT在1931年首先对气流经过单一圆柱纤维的运动规律进行了研究，创建了ALBRECHT理论，然后SELL对该理论进行了必要的完善[21]。随后，KAUFMANN首次将惯性碰撞和布朗运动的机理一起运用到纤维过滤理论中，得出过滤过程的数学计算公式。DAVIES于1952年把布朗扩散、直接截留和惯性碰撞三种过滤机理有机结合起来，并且采用相关公式表示出来，进而创建了新的过滤理论，即“孤立纤维理论”[22]。在此基础上，YOSHIOKA和FRIEDLANDER将孤立纤维理论进一步发展，他们研究了在雷诺数较大情况下颗粒的惯性碰撞、布朗扩散以及重力效应对颗粒物过滤的影响，同时还对过滤器阻塞现象进行了总结和分析[23-24]。CLARENBURG等应用孔理论对纤维介质过滤器的非均匀性进行了探讨，发现纸张表面的孔面积和孔的动力学直径近似服从对数正态分布[25-26]。目前所建立起来的模型一般都是基于稳态条件的，但是在非稳态的过程中，由于颗粒物的不断沉积，纤维直径、空隙率等都会发生相应的变化，必须建立新的理论模型来解释非稳态条件[27]。

为了满足聚丙烯（PP）等材料在工程领域的应用需求，多采用玻璃纤维增强聚丙烯制备复合增强材料，以改善聚丙烯的力学强度等性能。王文超等[28]以均聚聚丙烯（hPP）和共聚聚丙烯（cPP）为基体，添加玻璃纤维（GF），采用熔融共混挤出制备玻璃纤维增强聚丙烯（GFRP）复合材料。研究发现，玻璃纤维能够提高PP复合材料的拉伸强度和拉伸弹性模量；
另外，玻璃纤维在减小PP分子自由空间的同时充当核剂，促进PP异相成核，提高其结晶度，从而改善PP的耐溶剂性。

孙华等[29]针对己内酰胺（CL）阴离子聚合反应特性，在恒压注射条件下制备了玻璃纤维增强阴离子聚合尼龙6（APA-6）复合材料。研究发现，复合材料在180℃条件下发生解封端反应，促得使玻璃纤维与树脂界面形成化学键连接，如图4所示，使玻璃纤维与APA-6基体之间的界面结合有所增强，一方面提高了复合材料的层间剪切强度；
另一方面，界面结合作用力使聚合物大分子链运动受到阻碍，复合材料的热变形温度（HDT）提高。随玻璃纤维含量的增加，树脂比例减少，聚合反应总放热量降低；
同时，玻璃纤维起到了异相成核作用，复合材料的结晶度提高。AL-MAHFOOZ等[30]将玻璃纤维增强聚合物（GFRP）包覆在聚氯乙烯（PVC）管道上，旨在不增加成本的前提下提高其结构完整性。实验发现，与未采用GFRP复合材料包裹的PVC塑料管相比，采用GFRP复合材料包裹后PVC塑料管的抗弯承载力有显著提高；
并且当纤维取向为90°时，复合材料的抗弯承载力最高，为17 200 N，这是因为在0°/90°方向上，管道在两个拉伸方向上都可能产生最大的单向拉伸载荷。SINGER等[31]研究了聚丙烯（PP）和玻璃纤维增强聚丙烯(GFPP)管道的力学性能，并将其用于供水管网和压缩空气系统。GFPP管道的结构分为三层，内层为聚丙烯，第二层是质量分数为10%的随机取向的玻璃纤维增强聚丙烯，第三层为聚丙烯，管道截面如图5所示。通过测试分析两种材料的力学性能发现，GFPP的断裂伸长率和韧性低于PP。此外，在不同十字头速度和测试温度下，GFPP的弯曲屈服应力和弯曲模量也都高于PP，如表2和表3所示。

表3 温度对PP和GFPP力学性能的影响[31]

图4 GF与树脂界面形成化学键连接示意图

图5 GFPP和PP的管道横截面[31]

表2 十字头速度对PP和GFPP力学性能的影响[31]

LIANG等[32]利用超声注射成型技术，在超声振动下熔融制备了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料（GF/PP），并复制了模芯的表面微观结构。对于具有表面微观结构的GF/PP零件，其表面接触角由原本的57.1°上升为134.9°，润湿性由亲水性转变为疏水性。研究发现，随着GF含量的增加，GF/PP复合材料的拉伸强度相较于PP有所上升，但其断裂伸长率下降。LOU等[33]研究了玻璃纤维（GF）的长度和含量等参数对玻璃纤维增强聚丙烯（GF/PP）复合材料力学性能的影响。研究发现，当选用长度为9 mm的GF时，GF/PP复合材料的力学性能较好；
并且当GF含量增加时，GF/PP复合材料的力学性能先增加后下降，在GF的质量分数为30%时达到最大值。这是因为在GF/PP复合材料中，GF承受大部分变形力，可以提升力学性能，但GF含量过高会导致GF/PP中的GF浸渍不充分，黏结不紧密，强度有所下降。

纤维状材料加入到PP中，可以显著提高PP材料的弯曲模量。其中，增强材料常用玻璃纤维及其制品，此外还有碳纤维和有机纤维等。选用玻璃纤维为增强相时，对玻璃纤维的种类、直径、长度和用量有一定的要求，在上述参数条件的保证下，才能制备更高性能的PP复合材料，应用于更多领域。

根据物理原理，气体的热传导率小，优秀的隔热材质内部均有很多空气穴。玻璃纤维耐温隔热棉具有无数细小气体孔，且纤维呈不规则排列，为极佳的保温材料。仝凡等[34]在Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2-H2O系水合玻璃溶胶中外掺短切玻璃纤维和粉煤灰，经两步热处理工艺，制备了导热系数为0.061 W/(m·K)、软化系数为0.87~0.89的纤维增强低温泡沫玻璃陶瓷复合材料。研究发现，玻璃纤维具有很好的强度和韧性，从而起到支撑作用，不仅可以减少复合材料在热处理后的体积收缩，还可以将复合材料的抗压强度从0.58 MPa提升到0.6~0.85 MPa。王圣程等[35]利用可膨胀石墨（EG）和玻璃纤维（GF）对聚氨酯保温材料改性，结果发现，加入的GF可与加入的EG协同作用，协同改性聚氨酯保温材料的质量保持率略有提高，当温度为800℃时，质量保持率提高了1.85%~7.3%。另外，GF的添加量也会影响保温材料的性能，随着GF添加量的增加，保温材料的极限氧指数（LOI）呈线性增长。但当GF添加量过多时，会出现GF分布不均匀和团聚现象，导致保温材料的力学性能降低。HUNG等[36]利用玻璃纤维（GF）和碳纤维（CF）制备纤维增强硅气凝胶复合材料。研究发现，当三层纤维均为GF时，复合材料的导热系数随GF添加量的增加而增加，而抗弯强度先增大后减小，并在GF含量为20%时达到最大值，综合考虑后选用GF和CF搭配。从表4中可以看出，当选用含量为5%的GF作为上下两层、含量为5%的CF为中间层时，复合材料的弯曲强度较高，达到2.846 MPa；
导热系数极低，为0.031 W/（m·K）。ZHOU等[37]采用CSB（离心－喷丝－吹制）工艺制备了超分层玻璃纤维芯材真空保，温板，其导热系数为1.25 mW/（m·K），而采用湿法工艺生产的玻璃纤维芯材的导热系数为2.62 mW/（m·K），CSB芯材的隔热性能比湿法芯材高2倍以上。另外，在不同压力条件下，孔径为3μm的CSB芯材的导热系数最低。LI等[38]利用硅酸钠和玻璃纤维制备了以玻璃纤维为支撑体的硅酸钠复合绝热泡沫材料。研究发现，复合绝热泡沫材料的导热系数在0.045 4~0.045 9 W/（m·K），并且随着玻璃纤维含量的增加，复合材料的导热系数先缓慢增长，再快速增长，拐点是玻璃纤维含量为0.67%。

表4 玻璃纤维和碳纤维不同配比下的复合材料性能[36]

将玻璃纤维运用到保温材料是目前的研究热点，凭借玻璃纤维自身低导热系数的特性，能够很好地对其他材料进行改性处理。除单独使用玻璃纤维改性外，还可以使用其他导热系数低的改性材料，多种材料共同作用，有利于保温材料的成功改性。

目前，电磁屏蔽织物生产大多以化学镀法为主，通过使用不同的镀覆金属，比如镍、铜和银等，将其镀覆在织物上，比如涤纶、锦纶和棉等。

DUAN等[39]采用化学沉积法和熔融反应共混法，制备了聚丙烯/乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物/镀镍玻璃纤维(PP/EPDM/NCGF)复合材料。研究发现，玻璃纤维连接良好地充当了骨架结构，表面的镍层形成了三维导电网络。当NCGF添加量为16.36%时，复合材料的电导率为0.42 S/m，屏蔽效能（SE）为22.2 dB。RIBEIRO等[40]制备了轻量多壁碳纳米管巴基纸（BP），并用其来增强玻璃纤维－环氧树脂（GF/EP）复合材料制备电磁干扰（EMI）屏蔽材料。如图6所示，根据BP插入数量和层合板投射层长度构建了6种结构。其中，GF/EP/BF111和GF/EP/BF101两种结构材料的EMI屏蔽效能好，为50~60 dB。秦文峰等[41]采用多巴胺对玻璃纤维织物进行改性，同时将原位生成的Ti3C2TXMXene，通过真空抽滤成功制备出Ti3C2Tx负载玻璃纤维复合材料（MGF）。研究发现，将Ti3C2Tx附着在玻璃纤维上，可以改善其导电网络，达到屏蔽电磁干扰效果。研究发现，随着Ti3C2TX添加量的增加，MGF的电磁屏蔽效果也增大，当Ti3C2Tx添加量为2.55 mg/cm2时，MGF-4的最大电磁屏蔽效果为55.1 dB，其表面电阻为0.95Ω/sq。王飞龙等[42]通过化学镀法制备导电玻璃纤维，得到的Ni-W-P合金镀层在玻璃纤维表面均匀致密，能够赋予玻璃纤维良好的导电性。研究发现，反应时间和镀液温度均对电磁屏蔽效能有影响，当反应时间为60 min、镀液温度为70℃时，Ni-W-P玻纤材料的电阻率为1.15×10-3Ω·cm，电磁屏蔽效能超过60 dB，能够满足实际要求。LIU等[43]通过化学气相沉积法在玻璃纤维(GF)表面包覆一层镍，接枝碳纳米管（CNTs），制备GF-CNTs和GF@Ni-CNTs环氧复合材料。研究发现，3.8%GF@Ni-CNTs环氧复合材料和5.2%GF-CNTs环氧复合材料的X波段屏蔽效能值为35 dB，通过在GF表面加入镍层，可以在较低的碳纳米管含量下获得相同的电磁屏蔽效能。当CNTs添加量为9.2%时，复合材料的性能最好，1~18 GHz段的电磁屏蔽效能在35 dB以上，并且X波段的电磁屏蔽效能在50 dB以上。

图6 GF/EP/BP层压板结构原理图[40]

近年来，国内外对玻璃纤维及其复合材料的研究越来越多，对玻璃纤维自身的研究向着超细和高性能方向发展，利用其纤维直径细、强度高、低介电和耐高温等性能提高玻璃纤维的应用价值和拓宽其应用领域。用于增强材料时，玻璃纤维的种类、直径、长度和用量会对增强材料的性能造成影响。用于保温材料时，除单独用玻璃纤维改性保温材料外，还可以与其他材料协同作用，改性保温材料。用于电磁材料时，加入玻璃纤维可以降低电磁材料的密度和价格，同时还能保证电磁材料优异的电磁屏蔽效能。此外，凭借玻璃纤维的可塑性和轻量化特性，以及对玻璃增强树脂绿色化研究的开展，使得玻璃纤维复合材料也可应用到家具和医疗等领域。

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