國內不飽和聚酯樹脂基(UPR)玻璃鋼用玻璃纖維市場分析
1 前言
2000年以來，我國不飽和聚酯樹脂(UPR)年產量保持持續增長的發展，03-07年五年間，平均增長率達到17.8%，2007年產量達到了135萬噸。UPR除了用作工藝品、人造石、涂料(包括地坪)、紐扣以外，60%以上是用作制造玻璃鋼產品。2007年，玻璃鋼用UPR達到75萬噸，增強玻璃纖維用量達到90萬噸，UPR基FRP總量達到170多萬噸(表1、表2)。
2 我國UPR基FRP產品主要應用領域和成型工藝
近十年來，我國FRP的發展已進入一個全新的時期，應用門類廣泛，品種繁多，體現了輕質高強多功能材料FRP在市場競爭中的優勢。(附表3)
3 影響增強用玻璃纖維強度的各種可控因素[-page-]
FRP以玻纖為增強材料，其強度主要取決于玻璃纖維；而玻璃纖維的強度又與玻璃纖維的成分、密度、成型溫度、纖維直徑、表面處理和編織形式有著密切的關系。
(1)玻璃纖維因其堿金屬氧化物(R2O)含量不一及其成分的差異性，表現出的性能各異。
因此，不同成分的玻纖，取向于增強不同條件要求下的FRP制品。E玻纖的R2O＜0.5%-2％，用以制作電絕緣制品和高強度FRP制品；E玻纖的折射率與UPR接近，可以制造透光率高的FRP制品；C玻纖因其R2O在12%左右，可用于耐酸或防腐FRP制品(中等濃度酸)；ECR為高耐腐蝕玻纖，可用于耐酸、耐堿FRP制品；S玻纖可用于高強高彈FRP制品。從表中看到，A玻纖不能用作FRP材料，主要是其R2O含量高，其失重比例和析堿量高，從而限止了A玻纖作為增強材料在FRP中應用。
(2)玻璃纖維的強度與纖維直徑有密切關系，新生態玻纖顯示，直徑愈小，強度愈大；但從國內外企業大量的試驗證明，玻璃鋼的強度不隨所用纖維直徑的加粗而顯著降低。70年代以來玻璃鋼用玻璃纖維的直徑已經從(9-10)μm逐漸增加到(13-14)μm、(15-17)μm、(19-24)μm，甚至更粗。纖維直徑加粗以后，提高了玻璃纖維產量，減少了合股工序，有利樹脂的浸透，技術經濟效果很顯著。
(3)玻璃纖維的強度與玻璃纖維表面處理劑有著密切關系，FRP的強度取決于應力從樹脂傳遞到玻纖及界面吸收能量的能力，應力是在剪切方向傳遞的，所以要求玻纖與樹脂之間必須有一個良好的粘結。玻璃纖維表面處理后，與UPR的復合已不是填料的概念填充到樹脂中，而是一個經過設計的玻璃纖維復合到FRP材料中，硅烷偶聯劑是增強型玻璃纖維浸潤劑中重要的架橋劑，使FRP的強度得到整體的提高。(表7)
浸潤劑中其它重要組分,粘結成膜劑對FRP制品起決定性影響,還有降低玻纖粘度及消除靜電產生的潤滑劑、抗靜電劑等，組成一個完整的增強玻璃纖維的浸潤系統。由于FRP成型工藝的多元化，又可分為軟質型浸潤劑和硬質型浸潤劑。通過對浸潤劑系統中各種粘結劑、偶聯劑和其它化工助劑的優化組合,處理出滿足纏繞、拉擠、SMC/BMC、短切噴射成型工藝等的各類玻璃纖維紗及制品。
(4)玻璃纖維的強度還與玻纖結構形成有著密切關系，不同玻纖結構形式增強的FRP，其力學性能不一樣。
(5)玻璃纖維強度與成型溫度有密切的關系。不同生產方法拉制的玻璃纖維，對纖維強度的影響較大，當拉制相同的纖維直徑，溫度從1200℃升高到1370℃，纖維強度可以提高約一倍。據有關資料透露，目前，國外先進的改進型E玻璃纖維及其織物大量進入我國風電行業，用作兆瓦級葉片增強材料(表9)。資料提示我們，國內企業是否可以對現有E玻璃配方進行微調及提高拉絲溫度來研制出滿足風電葉片用的高強高模量玻璃纖維呢？
國內風電業發展迅猛，每年新增容量達1500MW，配套的風葉片在4500支左右，按每支葉片6噸重，FRP總量達2.7萬噸。葉片采用抽真空灌注工藝，其玻纖用量達70%，計2萬噸，如包括大型葉片模具制造，玻纖總用量需要在2.5萬噸左右。
(6)玻璃纖維作為增強材料與其密度有密切關系。玻璃纖維與鋼相比其比強度和比強度彈性模量都有明顯的優勢，這為玻璃鋼設計提供了理想的結構材料。
4 多元化FRP成型工藝對增強用玻纖的使用要求[-page-]
國內多元化FRP成型工藝對玻璃纖維的要求不一，具體到一個產品來講，除了采用玻纖增強樹脂后保證其足夠的強度外，還要滿足其工藝成型，這里簡略各種FRP成型工藝用紗的要求。
①國內拉擠FRP產量在12萬噸，其中玻璃纖維用量達到4萬噸。無堿無捻粗紗是一種基本的拉擠用增強材料，為拉擠產品提供了優異的縱向強度。在生產時，它裹攜著其它增強材料一同進入模腔，同時向大部分增強材料如連續氈、縫編織物等提供浸漬所需的樹脂。
拉擠中常用的粗紗為4800TEX，好是單股紗，這一點對生產大型材尤為重要。連續氈為拉擠產品提供橫向強度,它不能單獨使用，在粗紗的幫助下才能被拉過加熱的模具。國內通常使用的為美國OCF公司的連續原絲氈,還有南京天明公司連續氈和丹陽中亞公司的連續單絲氈等。
復合氈是玻璃纖維多層復合物，在拉擠工藝中，選擇在0°度方向粗紗的基礎上復合其他各可選方向粗紗及復合氈，就可以得到預期力學性能的制品。表面氈的使用可以提高制品的外觀質量，還能提高拉擠速度并降低模具損耗。表面氈根據用途可以選玻纖氈，也可以是化纖表面氈。
②SMC是一種用樹脂浸漬短切玻璃纖維、填料及增稠劑組合的一種預成型材料。SMC紗要有極好的集束性、及低的溶解性和適當的浸透性。紗線集束性好，溶解性低，在SMC片材生產中能被樹脂垂直穿透；此外，浸潤劑膜的硬度和強度高，提高SMC紗的硬挺性，硬挺度一般要大于160mm。在SMC片材壓制中常常出現白絲，主要是浸潤劑中成膜劑不可溶/可溶比例低，造成紗的集束性低?？朔@種現象是提高成膜劑中不可溶/可溶的比例，要求一般在85/15。
在SMC片材生產中，有時根據制品的要求，在制作片材同時鋪放單向纖維或無捻粗紗網格布,如榔頭柄、水箱板等。
國內2007年SMC片材總量達6萬噸，需用玻纖達1.5萬噸。汽車零部件產量占SMC制品總量的三分之一。
③國內BMC產品主要為低壓電氣開關匣、燈罩及市政工程產品，其應用面廣量大，產量達到18萬噸左右，短切玻纖用量在5萬噸左右。BMC用紗為電氣級短切纖維，非受力制品用C短切纖維。要求破纖原始筒烘干后直接短切，原始經短切后保持良好集束性，不開纖、端面整齊、流動性好、抗靜電。BMC用短切紗的纖維長度一般在3-12mm范圍內。
④國內纏繞FRP產品主要是化工管道、貯罐及防腐工程、地埋電纜管、給排水夾砂管等，其產量在50萬噸，玻璃纖維用量在25萬噸左右。纏繞紗用軟質紗，單纖維直徑是(17-24)μm的直接紗，國內合股紗高達16μm。纏繞管道要求內表面光滑，在環向纏繞同時提高縱向強度，所以在管芯模具上噴射短切纖維或鋪設表面氈和單向編織布。為提高纏繞紗的強度，特殊的纏繞纖維用紗采用環氧乳液或PU乳液。近年來，重慶國際開發的耐化學腐蝕的ECR玻璃纖維，其耐酸、耐堿、耐水、耐鹽、耐溫和耐氣候性都比E玻璃強，尤其是耐酸性隨環境溫度的升高優勢更明顯，這為國內FRP防腐工程提供了性能優越的增強材料。
⑤國內風電業和FRP造船業的興起，帶動了玻璃鋼成型工藝的改革和提升，傳統的敞開式手糊成型工藝在向抽真空灌注成型工藝和低壓力的RTM工藝(LRTM)發展，從而帶動了無卷曲的強化的玻璃纖維工程織物的產生，這種工程織物包括無粘合劑、縫編短切連續原始氈、復合氈，單向、雙軸、雙偏、縱向三軸、橫向三軸、四軸等編織布等，是纖維設計提出的結構性玻璃纖維增強材料。編織物將各平行的纖維層安置在各元件設計需求的負載方向上；同時短切氈，纖維帶或其它材料也可加入各層平行纖維之間或其表面，各層的纖維精密編織之后就被固定于同一布匹。這種簡單的技術帶來了極大的益處，可以滿足FRP結構設計佳性能的要求。國內航天材料及工藝所、維特克斯復合材料(常州)公司、常州良春集團、重慶國際、臺灣重億、常州天馬公司等組織了這種工程材料的編織和供應。
5 把玻璃纖維作為增強材料設計到FRP結構中去
我國FRP復合材料誕生五十年來，真正把玻璃纖維作為結構材料設計到玻璃鋼產品中，只是航天航空、軍工行業和FRP復合材料研究設計的科研院所、大型企業才集中一批材料力學、高分子化工、機械電子的專業人員從事玻璃鋼的結構設計、材料設計、工藝設計。整個復合材料(玻璃鋼)設計,從認識材料到用好材料的理念理論、實踐和經驗，沒有普及和走進廣大中小玻璃鋼企業中。
國內大多數民營企業缺乏技術平臺，其設計理念仍然是以常規材料的等代設計觀念來考慮，所以設計過剩是普遍存在的現象。迫于成本，一些企業在面臨市場競爭，不是千方百計去優化設計，而是偷工減料，去桃換李，導致產品被市場淘汰。我們認為在FRP產業密集地區如山東德州地區、河北棗強地區、江蘇武進地區和宜興地區、河南沁陽地區等，應該有面向市場、面向企業、面向產品的FRP設計研究所，有一批熱心于中小FRP企業的科技人員，去幫助這些企業在認識材料，用好材料；有條件的企業可以引進材料力學方面的青年技術人才加以培養。
今天來談玻璃纖維在UPR應用，就是以FRP復合材料的觀念來用好玻璃纖維。我國著名材料和結構專家朱頤齡教授早在八十年代就指出：“復合材料不僅是材料，更恰當地說是個結構?！币院?，上海院張汝光教授在查詢國外資料中得到巨大啟發，在朱教授提出這個觀點十年后，美國國會技術評價局的生產報告才有十分相似的話：“先進復合材料與其看作是材料，確實更應該看作是結構?！背Ｒ幉牧系氖褂檬窍扔胁牧?，后制造制品，而復合材料是材料和制品同時制造的。所以，圍繞特定的FRP產品，我們在材料設計同時考慮結構設計，從結構中去選擇材料，從材料設計中去滿足結構，從而達到了優化設計。
當前我國各風電FRP企業開發的MW級風機葉片、地面天線罩就是材料和結構完美的設計和制造。作為結構材料主要是玻璃纖維，當然，UPR的匹配及工藝選擇也非常重要。大型風機葉片，不僅是在追求材料的輕質高強，而是將玻纖材料編織成工程織物來滿足葉片的力學性能，真正體現FRP材料的自身價值。
這幾年，夾層結構開始引入國內FRP產品的設計中來，用夾芯結構替代單板結構，體現了FRP產品的輕質高強低成本。這里引用瑞典DIAB公司為澳大利亞某船艇廠設計的M380游艇的實踐結果。
國內大力開發夾層材料應用于各類產品設計中，如常州天馬集團公司、浙江聯洋公司開發的復合氈已大量用于國內機倉罩、導流罩和船艇；東華大學紡織學院、天津大學紡織學院、北京玻鋼院、南京玻纖院等大力開發立體結構玻纖編織物應用于航天航空FRP器材等，體現了我們在剖析模擬軟件中去完善材料，完善結構，求得真蒂，推動玻璃鋼行業步入認識材料，設計材料，用好材料的規律中去，體現FRP產品成本降低、性能先進。這一認識和設計的跨越，可以出現三贏的前景，拉動國內高性能玻璃纖維的全面開發；拉動性能各異的FRP產品在深入應用中探索市場、開辟市場；為企業走創新發展的路子打下強有力的技術根底和市場基礎。作為我們從事幾十年FRP材料的企業和科技人員要提倡科學思維，拼棄粗放結構，使我國FRP復合材料做精、做特，趕上發展水平。
