高强玻璃纤维是特种功能玻璃纤维中应用最广的一种，具有强度高、耐高温、抗冲击、透波高、耐腐蚀等优异的性能，在高性能复合材料及耐热材料领域应用广泛。与普通无碱玻璃（E-glass）相比，高强玻璃纤维生产技术难度大、总产量低，但其需求增长速度是普通玻璃纤维的4倍以上，其优良的性价比是目前其他纤维材料无法替代的，已在航空、航天、船舶、兵器、建筑、体育、化工、电子等领域广泛应用。

    高强玻璃纤维组分

    目前，高强玻璃纤维包括美国S-2高强纤维（AGY公司）、法国R纤维（Saint-Gobain）、日本T纤维（日东纺）和中国HS高强纤维（中材科技股份有限公司）4类。高强玻璃成分如表1所示，商业生产的高强玻璃纤维成分为SiO₂-Al₂O₃-MgO或SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO系统，这种玻璃存在析晶上限温度高、析晶速度快、玻璃熔体粘

表  1，商业高强玻璃主要组分  w/%

度大、玻璃中气泡不易排除等问题，影响了纤维强度及成型工艺的连续性。为了熔制作业性能优良的玻璃，通常在玻璃组分中引入助熔剂，以进一步提高高强玻璃纤维的生产工艺稳定性。日东纺田邨进一等在SiO₂-Al₂O₃-MgO组分中分别加入0.1％－1.1％的CaO和B₂O₃，在1600℃下熔制5－15h，观察玻璃中气泡的数量（见表2），当玻璃加入CaO和B₂O₃后，与S－2玻璃相比，气泡数可下降2－5倍，纤维新生态强度提高5%－10%，纤维成型工艺稳定。

表  2，高强玻璃纤维组分与性能（日东纺田邨进一试验）

    日东纺将高强玻璃纤维应用到印刷线路板上，对玻璃纤维中的气泡数量进行严格的限定，为了有效降低玻璃中的气泡，避免长时间熔制，提高纤维成型性能，田邨进一等先后在S-2玻璃组分中加入了0.1%－0.5％的Fe₂O₃、TiO₂、MnO₂、Co₂O₃、CuO、ZnO、CeO₂等过渡金属氧化物，同时取代了Sb₂O₃和As₂O₃有害澄清剂，其中0.6％Fe₂O₃的引入可显著降低玻璃中气泡数量，而含Fe₂O₃的玻璃熔制中还需严格控制FeO的生成，如当HS2玻璃中FeO含量增加到0.3%以上时，纤维新生态强度将从4100MPa下降到2800MPa，为此需要控制玻璃原料的COD值以及矿物原料中还原性氧化物杂质的含量。

    为进一步提高高强玻璃纤维成型工艺性能，拓宽纤维成型温度范围，日东纺上田浩司等以S-2玻璃成分为基础，用TiO₂、ZrO₂、CaO、Na₂O、Fe₂O₃、B₂O₃等氧化物对SiO₂-Al₂O₃-MgO组分进行调整，降低析晶上限温度和拉丝温度，减少气泡数量，如表3所示。

表  3，高强玻璃纤维组分与工艺性能（日东纺田邨浩司试验）

    高强玻璃纤维及制品性能

    美国军标（MIL-R-60346C）规定，高强度（S）玻璃纤维G级无捻粗纱浸胶束纱强度不得低于2758MPa，而无碱玻璃纤维（E-glass）无捻粗纱浸胶束纱强度不得低于1930MPa，从标准规定上，与无碱玻璃纤维相比，高强玻璃纤维强度提高了43%，而实测的单丝直径为9μm的S-2无捻粗纱浸胶束纱强度在3700MPa以上（美标ASTM－D2343），13μm无捻粗纱浸胶束纱强度在3100MPa以上,表4为不同牌号高强玻璃纤维性能。表5为资料报道的法国高强R纤维和无碱玻璃纤维在不同温度下的强度。

表  4，不同牌号高强玻璃纤维性能

    高强玻璃纤维制品有无捻粗纱、直接无捻粗纱、短切纱、纺织纱、布、混杂布（高强/碳纤维、高强/石英纤维、高强/无碱玻璃纤维）等多种产品。目前国产的高强玻璃纤维粗纱性能与国外高强R纤维和S-2纤维性能相当。

    高强玻璃纤维的制造

    S-2高强玻璃纤维熔制温度高达1650℃，据有关专家介绍，美国S-2玻璃纤维生产采用一步法拉丝，电熔窑熔制玻璃，耐火材料内衬铂金，原丝为9μm的拉丝漏板为400孔，直接无捻粗纱拉丝漏板孔数达2000孔。我国与俄罗斯均采用坩埚法拉丝，即先将高强玻璃配合料熔制成高强玻璃球，高强球在坩埚中二次熔化经漏板拉丝，9μm以下的原丝以200孔为主，400孔拉丝漏板生产13μm以上的高强玻璃纤维制品，如无捻粗纱等。

    高强玻璃纤维浸润剂是高强玻璃纤维生产与应用的关键技术，分增强型和纺织型2类，中材科技股份有限公司的高强玻璃纤维用增强型浸润剂有16种，分别适用于增强聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、氯丁二烯和PFL橡胶，以及热塑性树脂（如PEEK、PEL、BMI、LCP）等，能够满足目前高强玻璃纤维生产工艺与复合材料应用的要求。

继续：高强度玻璃纤维研究与应用（二）