玻纖增強基材的創新與發展 zund L-1200-Carpet台中雷射雕刻－林卓禎焦點新聞熱搜

一、形勢要求加快我國玻纖增強基材的創新與發展
1、增強基材是玻纖及其制品的主要用途
    玻璃纖維的特有本性和玻纖工業七十年的實踐都告訴我們，玻璃纖維產品主要用做增強基材。用于增強樹脂、塑料等高分子聚合物和增強石膏、菱鎂、水泥等無機膠凝物。用來增強形成復合材料的玻纖產品占到玻纖總產品的85%左右。從另一角度講，上述兩大類復合材料做為增強基材也有多種纖維材料。但是當前工業性復合材料中，玻璃纖維仍是主體增強基材，而全部增強纖維材料中玻璃纖維也占85%。兩個85%就說明了玻纖增強基材的發展對玻纖工業本身和玻纖增強復合材料的發展的關健作用。玻纖增強基材的發展取決于玻纖產品更好的滿足復合材料的拓展和性能提高的要求。也就是要通過不斷創新提高玻纖制品的產品質量，擴大產品品種和開發應用技術并不斷提高性價比，以鞏固擴大玻纖產品市場，以求得玻纖工業的更好發展。同時推動復合材料工業更大領域的應用和發展，在國民經濟發展中發揮更大的作用。
2、當前形勢更需注重玻纖增強基材的創新與發展
    進入二十一世紀，我國玻纖工業高速發展，年產是從2000年21.6萬噸到去年的160萬噸已居位。這期間不但滿足了我國玻璃鋼、工程塑料、電子電氣、新型建材等下游復合材料的工業需求，求得了共同快速發展。還不斷提高產品出口，年出口量從2000年的8.19萬噸到去年的108.5萬噸，出口產品比例超過60%，形似出口型行業。滿足了國際上對玻纖增強基材部分需求。
    今年以來，我國玻纖工業順著原有發展勢頭，更強化了增產力度，三季度前就有六十萬噸新生產能力投入。但是美國次貸危機，逐步發展為金融危機并影響到經濟發展滑坡。出口比例很大的我國玻纖工業必然受到影響。二季度開始有滯銷現象，上半年對美國玻纖出口比去年同期下降15%，情況還在逐月加重，截止八月末全國池窯企業玻纖紗庫存量達13萬噸。
    在當前國際經濟環境下，我國經濟發展也會受到影響，但持續發展的總體格局沒有改變。我們應該很快緊跟中央，迅速把著眼點放到滿足增加內需上來。愛爾蘭研究與市場公司《2006－2010玻纖工業報告》預測我國內玻纖需求，5年將平均18%增長，到2010年達159萬噸。不久前玻纖市場論壇上，下游工業提出的需求和這個預測相當，熱固增強為80萬噸，熱塑增強為21萬噸，電子電器為35萬噸，增強菱鎂20萬噸，建筑裝飾、耐熱、磨擦等10～15萬噸。我國每年進口玻纖制品在20萬噸左右，是其中較高檔次的市場需求。我們必須有一種責任感，千方百計來設法盡快滿足國內對玻纖的各種需求。
    要擴大國內玻纖市場，在玻纖產品的生產技術、經營模式、售后服務和應用技術等方面都需做些創新和改進。加大淘汰低劣高耗產品力度。對仍需進口的高檔次產品要努力加快開發。對原出口較多的中檔增強基材要進一步提高效率和產品質量并針對我國各類復合材料生產的實際情況進行解決方案式配套服務。要下大氣力積極參與熱點及規模較大的新復合材料產品的產業鏈的聯合攻關和服務。總之，在產品供大于求，總體經濟發展不旺情況下，要付出更多的精力在產品應用、市場開發上。
3、玻纖增強基材基本要求和創新重點
   玻纖增強基材的發展要緊緊圍繞滿足相關復合材料的要求和發展。當前主要要強調品種和質量方面的滿足。這種滿足從復合材料的共同規律看來，復合材料的力學、功能及特殊性都與增強基材密切相關。玻纖增強基材提高主要以下幾個方面：
    ⑴穩定并提高玻纖增強基材的基本性能。這是鞏固擴大玻纖在和其它纖維材料競爭中，作為主導增強基材的主要方面。開發具有更好力學性能和功能的玻纖是比較有效的辦法。
    ⑵開發多種穩定力學特性的玻纖制品并能較好適應組合和配套，給復合材料可設計性更多的結構選擇，是玻纖增強基材制品開發要注意的方向。
    ⑶要注意滿足復合材料各種成型工藝，特別閉模、規模化、自動化、連續性高效生產工藝對玻纖增強基材的要求，根據不同工藝在浸透速度、結構形式等方面滿足要求。
    ⑷高度重視浸潤劑和粘結劑的開發和改進，提高玻纖與被增強基體的互浸能力和偶聯作用，大限度地發揮玻纖的增強作用，體現復合材料的耦合效應。
    ⑸努力提高玻纖增強基材的生產效率及生產的可持續性。并從積極推進整個經濟可持續發展中找發展方向，其中節能降耗、環境友好是要重點考慮的因素。
    我國玻纖增強基本材已經有了很大發展。已經成為玻璃纖維的主導產品。玻纖紗的質量得到穩定提高，不少特種玻纖均實現了產業化。增強玻纖制品的基本品種都能工業化生產，傳統的無捻粗紗、方格布、短切纖維氈迅速提高質量，擴大生產規格，成為出口主流產品。同時開發了一些新的增強基材，如連續纖維氈、針刺氈、連續單絲氈等。玻纖針織物、縫編氈、多軸向織物和復合氈等也已可批量供貨。增強型浸潤劑已得到普遍使用，基本實現了按制品不同的分類。一些產品已經達到了國際先進水平。同時我們應該看到，我國玻纖增強基材整體狀況離國際先進水平還有差距，主要是玻纖制品綜合技術開發能力還不夠強，滿足復合材料新發展方面還現滯后。所以本文想重點就當前熱點和前沿的風電葉片和增強熱塑性用玻纖基材提供一些信息和大家交流，以便大家在確定玻纖增強制品創新發展重點時參考。
二、風電葉片用玻纖增強基材
    1、需要進一步重視
    ⑴風電作為一種可再生能源，人們共識和實踐會得到較快發展，全范圍2003-2007年均增長率為24.7%，2007年累計裝機容量達94112兆瓦，今后五年預計年均增長為20.6%。我國奮起在追，2004年以來每年總容量都翻一番。2007年新增3449兆瓦，累計裝機達6050兆瓦，規劃2010年達10000兆瓦。
    ⑵風電FRP葉片用玻纖增強基材在設計中要求大限度發揮玻纖的增強作用，從而使葉片自重盡量輕。而且電機功率越大，葉片越長這種要求越高。葉片的結構形狀及尺寸精度的保證；葉片制造效率的提高及相應工藝方法的改進均需要多種玻纖制品形式。目前40M以內的葉片主體增強基材仍是玻璃纖維。雖然每MW風電用玻纖5－8噸，量不算很大但它對玻纖基材的高要求，代表了基材發展方向。滿足了它也就提高了FRP船舶、運動器具以及其它閉模成型FRP制品所需的玻纖增強基材的水平，也就是提高了玻纖增強基材的整體水平。
    ⑶為發展我國風電市場，在政府引導下，一些地區和企業積極投身于風電事業，國際知名企業也紛紛落戶，已經建設和建成了一些風電設備和葉片制造基地，甚至已有兆瓦級葉片出口。現在是玻纖基材跟不上這種形式，特別兆瓦級的葉片主要還用的進口玻纖制品。我國不少玻纖企業也在努力開發風電葉片用玻纖制品，一些品種也得到認可，但總體質量達不到要求，還沒能達到兆瓦級葉片用玻纖制品的高質量是配套供應。這對我們這個玻纖制品出口大國就要急速解決風電葉片用玻纖制品的國產化問題。
    2、基材種類及前沿
    ⑴玻纖紗
    針對風電葉片對玻纖紗的高要求，國外玻纖知名企業有兩個做法：
    其一，在原有玻纖無捻紗的系列中（如OCV的TYPe30、PPG的Hybon），開辟專用品種，使強度穩定在較高水平并適合增強環氧等多種樹脂，在中Tex范圍有多規格選擇。我國大型玻纖企業也有些品種達到了要求，但占的比例不高。
    其二，專門開發性能更好的玻纖紗，例如OCV專為風電開發的Hiper-tex的玻纖紗比已較大規模使用的advantex和E玻纖紗性能有較大提高，見下兩表：


    Hiper-tex用在風電葉片上和E-glass相比，葉片重量減少10%，如相同重量的葉片長度可增強6%。
    風電葉片用玻纖紗要注意模量的提高。也有在試用S玻纖和玄武巖纖維。
    ⑵技術織物
    這里主要指針織物暨經編織物。玻纖經編織物，玻纖紗多在有機纖維線圈中以襯經襯緯形態構成。這種織物做增強基材，相對于機織物有以下特點：
    a.有更好的紗線方向選擇，特別適合有離軸強度要求的場合，能更好適應葉片運行受力的多個方向性。
    b.玻纖紗處無褶皺狀態，減少了彎曲對玻纖的損傷并改進了機織物節點對樹脂的浸透，能更好發揮玻纖的增強作用。同樣重量增強的復合材料的強剛度更高。
    c.比機織物更容易增厚和實現復合，從而更易適合復合材料制品的結構需求。
    因為經編織物有以上特點，比機織物更適合做增強基材。經過一段開發，上世紀九十年代后快速發展，現在占到增強基材的30%左右。產品有單軸向、雙軸向和多軸向幾類（見圖）。開始由一些專業經編織物廠開發生產。當前幾乎所有較大的玻纖廠都有此產品，已成為一大類通用玻纖制品。如OCV的針織技術織物就有：單向纖維織物（0°/90°），WR編織方格布（0°/90°）；ELTM雙軸向纖維織物（0°/90°）；EBXM雙軸向織物（±45°）；ETLXM三軸向纖維織物（0°/±45°或90°/±45°）；E2xM四軸向纖維織物（0°/90°/±45°）7個系列。

    ⑶復合織物（氈）
    a.包括玻纖不同結構織物的復合和玻纖與其它纖維織和的復合。
    b.復合氈可以從增強基材的角度來更好滿足復合材料制品不同層的要求：分別側重承力；富樹脂；增厚增剛度，便于成型時樹脂流動等功能。
    c.常用復合氈有兩類：
    ①連續玻纖紗或織物與短切等氈的復合。
    ②夾心復合氈：面層是玻纖織物或短切氈。夾心層則是玻纖連續氈、玻纖織物或化纖無紡布。當然還可根據要求生產特殊的復合氈。
    d.復合氈的生產可用針織一次完成或多層縫合而成，也有粘合而成。
    圖示多用的雙軸紗和短切玻纖縫編復合氈和圣哥班集團的各種復合氈。


    ⑷預浸漬制品
    系指玻纖紗和各種織物（含帶、布機織物和單、多軸向針織物）經浸漬和覆膜，覆有半固化樹脂的半成品。
    預浸漬制品能更好適應各種閉模復合材料成型工藝：基體樹脂和增強材料更均勻混，提高增強材料含量和增強效果，縮短制品固化時間。從而提高復合材料的生產質量和效率。
    所以近些年赫氏（HEXCEL）固瑞特(Gurit)等不少企業都積極開發，推廣應用預漬浸制品。赫氏產品為Hexply ○R固瑞特為SPRINTTM。圖示赫氏公司介紹預浸料的制造和成型技術。


    預浸漬制品已成為風電葉片的基本材料之一，如圖示預浸料在葉片上的應用。

    ⑸預成型增強體
    預成型增強體系將增強基材通過三維的機織、針織、編織或特定的裁、縫、粘等方法構成特定形狀的整體件（圖示各種預成型增強體）。

    預成型增強體能更好滿足一些形狀較復雜的復合材料制品的閉模灌注成型工藝，而且能提高制品的整體性能。
    美國BRM公司致力開發增強用新技術織物。他們生產的織物有：
    a.在0°,90°,±45°方向交織纖維，織造3D預成型體
    b.高性能編織物
    c.先進的極向織物：用環向和經向兩組紗線交織，織成圓形或螺旋形的織物。
    圖示BRM的各種預成型制品。

3、新型增強基材發展經驗的借鑒
    ⑴做深做細自己的環節，進行專業性開發，玻纖廠要努力開發性能更好的紗線，玻纖制品廠則力求產品多樣化、系列化、高質量。例如針織品，德國saertex、挪威Devold、芬蘭ahlstrom等企業都認定方向,經多年堅持努力取得很好發展。
    ⑵為復合材料制品制作不斷延伸方案式服務。這方面美國赫氏公司就做得很好，該公司是復合材料界的知名企業。它是以生產復合材料直接使用的各種專用材料為主的企業。今年正值該公司六十周年，在這六十年里他們在這個領域里創造過多個領先：碳纖維生產、玻纖電子布、結構織物、蜂窩結構、預浸料、膠模、夾心板材等。正是通過這些服務有效的推動復合材料向更高水平發展。當然它自己亦已成為終復合材料部件和結構的大牌制造商。它的產品有以下幾類：
    ①玻纖織物，包含各種涂層織物和貼層織物。即用玻纖來增強金屬箔、塑料膜和涂層。產品實例有防護罩、隔氣簾、遮陽織物和窗簾、銀幕、包裝帶、遮篷、防護衣、密封墊、貼墻布、輸送帶等；
    ②HEX TOW碳纖維
    ③HEX FORCE玻纖、碳纖和KEVLAR纖維織物，多軸向織物等；
    ④REDUX高性能粘結劑；
    ⑤HEX PLY預浸漬料：玻纖、碳纖、芳綸纖維等；環氧、酚醛、雙馬酰亞胺、氰化酯等；
    ⑥HEX MC工業應用模材料；
    ⑦HEX TOOL復合材料工具材料；
    ⑧HEX WEB蜂窩結構。有熱塑性塑料、玻纖、碳纖、鋁、芳酰胺等材質；
    ⑨復合材料結構。
    它們還不斷向高端材料推進，它們的材料航空航天占20%左右，防彈和風能方面用各占18%上下。近將玻纖基電子和芳綸基防彈基材及特種工業基材出售給JPS工業公司，以便更好發展航空用先進材料。
    ⑶注意從復合材料制品的設計和成型工藝中了解對增強基材的要求，而且注意和基體材料乃至輔助材料（導流、夾心、粘結等）協調發展。這方面我們注意不夠。聯洋公司注意工藝和材料的協調很有意義。
    ⑷注意提高新型增強基材制作方法的改進和裝備水平的提高。經編設備德國卡爾•邁耶•利巴公司我國潤源公司都有專業開發，德國HERZOG公司開發有新型編織機。
三、增強熱塑性塑料基材
    1、增強熱塑性塑料的發展
    熱塑性塑料占高分子材料70%左右，而且不斷有新的工程塑料品種出現。玻纖對它們增強改性效果明顯。譬如普通塑料的聚丙烯，經玻纖增強就可做為工程塑料。它們經熱加工的復用性比熱固性樹脂，在環保方面又有顯著優點。所以上世紀末期開始玻纖增強熱塑性塑料（FRTP）比玻纖增強熱固性樹脂（FRSP）有更高的發展速度，已占到玻纖增強塑料的30%左右。我國FRTP2002年產量為17萬噸，到2007年近60萬噸，年均增率22.3%，預計今后五年的平均增率為15～18%。
    玻纖在FRTP制品中的含量和保留長度影響著對塑料的改性效果，見下兩表：


    玻璃纖維對塑料的增強通常在塑料合成后進行。而不是象增強樹脂一樣先和粘度低的單體混合，復合制品成型過程和樹脂聚合過程同時完成。盡管通過加熱、加壓，大分子鏈的塑料的高粘度，使玻纖難以在塑料基體中均勻摻加并很好結合。所以人們一直圍繞這個難題，在塑料基體改性、增強基材和復合工藝上不斷想辦法。進入本世紀，一些新的技術得以突破，例如LFT：長纖維增強塑料，GMT：玻纖氈增強熱塑片材。這兩種產品得以較快增長，2004年總產量為168736T，到了2008年會達293474T，四年接近翻番。
    2、玻纖增強熱型塑料基材品種和發展
    ⑴短切纖維（CS）（包括以連續纖維形態進入、混合時被切短）
通常玻纖混入熱態塑料做成6m/m左右長的增強料粒，再將料粒注射或擠塑成制品。這是玻纖增強塑料的傳統方法，在技術和用量上還在發展，仍占有FRTP總量的80%左右。國外還有新的專業生產廠誕生，例如2008年JEC展示的德國Lanxess公司。我國的發展情況可從進出口情況得以反映。

    上表看出，我國大型玻纖廠和一些專業生產廠近年來努力以浸潤劑為中心改進短切纖維生產質量，開始以增強對象分品，并擴大產量。滿足了國內、外部分產品的需求，前年開始出口超過了進口。但我們的產品比國際上產品還有差距，滿足不了國內高端需求，所以進口量還一直在增長。這種增強制品中玻纖保留長度在0.5mm左右。而且含量相對較低通常＜30%。所以增強效果不甚理想。
    ⑵混合紗
    該種紗由玻纖與塑纖成型時直接混合或通過兩種紗混紡而成。就是說玻纖和基體塑料纖維在紗態做了預混。混合紗可進一步制成料粒或織成布形成片材。用這種混合紗做成的增強制品，玻纖含量高，分布較均勻，從而增強效果好。例如OCV公司的Twintex經多年開發，取得了較好應用效果。見下表：

    ⑶LFT（長纖維增強料粒）
    這是通過玻纖紗浸潤劑和料粒成型的改進而制成。通常連續玻纖紗導入，料粒長度在15m/m左右長。使制品中玻纖保留長度＞1.5mm，好的可達4mm長。所以比原來短纖維增強（SFT）有更好的增強效果。見下表：

    知名玻纖企業都專門開發LFT專用玻纖紗，如OC公司的petormax，PPG公司的putrov,JM公司的starrov。
    我國已有11條LFT料粒生產線，多為外商投資建設。所用玻纖紗國內雖有少數企業能供（如CPIC等），但仍多用外國產品（PPG、OCV等）。
    ⑷GMT
    由玻纖針刺氈兩面熱覆上改性PP等塑料形成的片材（其產品和工藝見。）
    這種片材可供熱層壓各種制品，如汽車構件和砼模板等。GMT為制品進行了片層間預混，能更好適應增強尺寸較大制品。其性能如表；


    GMT國際上較大的生產廠有瑞士QPC公司和韓國韓華（含AZDel）公司等，我國雙良公司已有少批量生產和開發應用。
    ⑸玻纖增強熱塑片材
    將玻纖紗、帶、布通過熱擠、浸、沉積、復膜等方式覆上塑料形成復合片（板）。供進一步層疊熱壓成制品。在增強高耐熱塑料制品時，多用此方法，以獲得高性能增強制品，用于航空和精細制品。近些年國外不少專業廠商在進行這方面開發，有些已經開始規模化生產。例如邦德公司（Bond）其產品及應用見附圖。

    下列表歸納主要廠商和制品。

    我國杰士杰公司也在積極開發，他們生產的TPAC Sheet―PP片（板）材性能如下表：

    ⑹玻纖增強熱塑直接制品（GMT-D、LFT-D）
    該項技術克服先制成片材和料粒半成品，再經加熱壓制成制品的二步工藝，而直接將玻纖和基體熱混料馬上送入壓機模具中壓制成制品。德國曲芬巴赫公司已售出40條這類的生產線，用于高效生產規模較大的FRTP制品。當然對其中的玻纖制品有更高的要求。
    3、加快發展增強熱塑性塑料玻纖基材
    ⑴必須更加重視這方面的發展。我國工程塑料對玻纖的需求還是很旺的。2007年的用量為14萬T，預測2010年到21萬T。上面所述我們也看出這方面的增強基材在品種、質量方面與國外先進水平還存在著較大差距，所以要下更大決心和力量去開發。
    ⑵對熱塑料性塑料玻纖基材的發展，要著力解決提高玻纖與高粘滯塑料的均勻分散和結合力，所以要狠抓浸潤劑這個重點環節，同時采取各種預混措施和更合理玻纖織物結構形式。
    ⑶要提高玻纖增強熱塑性塑料的效果和擴大其應用，更需要注意產業鏈各環節的協調發展。所以歐洲成立有歐洲熱塑性復合材料聯盟。我們增強基材作為前端環節要主動了解基體性能的改進（降低混合粘度）和制品成型工藝的改進（合理的工藝參數，減少對玻纖基材損傷，增加復合料流動和充模等）。加強與科研、基體塑料和制品生產單位的合作，求得共同發展。

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