玻璃纤维的化学组成如何？物理、化学性质怎样？

简答题玻璃纤维的化学组成如何？物理、化学性质怎样？

正确答案：（一）玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的化学组成主要是SiO₂、B₂O₃、CaO和Al₂O₃等，它们对玻璃纤维的性能和生产工艺起决定性作用。Na₂O和K₂O等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化温度和粘度，排除玻璃熔液中的气泡，它们可通过破坏玻璃骨架，使玻璃结构疏松，从而达到助熔的目的，因此Na₂O和K₂O的含量越高，玻璃纤维的强度，电绝缘性能和化学稳定性等越低。在玻璃组分中加入CaO，Al₂O₃等，在一定条件下可构成玻璃网络的一部分，并改善玻璃的某些性质和工艺性能。例如以CaO取代SiO₂，可降低拉丝温度，加入Al₂O₃，可提高耐水性。因此正确选择玻璃的成分，不仅可以制备物理化学性能合乎要求的玻璃及玻璃纤维，同时还可以适当简化生产工艺过程，降低生产成本。
（二）玻璃纤维的物理性能
1、外观和比重
玻璃纤维表面是光滑的圆柱体，断面几乎都是完整的圆形。宏观来看，玻璃纤维表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘接。但由于玻璃纤维是圆柱状的，因此彼此相靠近时，能堆砌的较为密实，这对于提高玻璃钢制品中玻璃含量是有利的。玻璃钢使用的纤维直径，一般为5～20微米，其比重较有机纤维大得多，但比一般金属比重低，约和铝差不多，所以在航空工业上用玻璃钢代替铝或钛合金已成为可能。此外，无碱玻璃纤维的比重一般比有碱玻璃纤维的要大。
2、玻璃纤维的拉伸强度
玻璃纤维力学性能的最大特点是拉伸强度高，玻璃纤维的拉伸强度比成分相同的块状玻璃高几十倍，例如无碱玻璃的拉伸强度只有40～100MPa，而用它拉出的玻璃纤维强度可达2000MPa，强度提高20～25倍。玻璃纤维的拉伸强度甚至高于合金钢。一般地说，玻璃纤维直径的减小，其拉伸强度会迅速增加。影响玻璃纤维强度的因素
（1）纤维直径和长度对拉伸强度的影响，纤维直径越细，其拉伸强度越高，但在不同的拉丝温度下，直径相同的纤维，其强度也有区别。玻璃纤维的拉伸强度也和纤维的长度有关，随着长度增加，其拉伸强度也会下降。
（2）化学组成对强度的影响，一般含碱量越高，强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。由于高强纤维和无碱纤维成型温度高、硬化速度快及结构键能大等，因此它们好玩儿很高的拉伸强度。
（3）存放时间对强度的影响，当纤维存放一定时间后，其强度会下降，称之为纤维老化。其原因是由于空气中水分的侵蚀，化学稳定性虞美人纤维强度降低较少。
（4）负荷时间对强度的影响，玻璃纤维的强度，随着施加负荷时间的增加，这种现象叫纤维疲劳现象，当环境湿度较高时成为明显。其原因在于吸附作用的影响，即吸附于并渗透到纤维微裂纹中的水分，在外力的作用下，加速了微裂纹的扩展的缘故。此外，玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响，如玻璃硬化速度越快，控制的纤维强度越高。
3、玻璃纤维的弹性
（1）玻璃纤维的延伸率
玻璃纤维的延伸率是指纤维在拉力作用下直至拉断时伸长的百分率，一般玻璃纤维的延伸率为3%左右。（2）玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的弹性模量比其它人造纤维大5～8倍，但比一般金属的弹性模量低的多，因此玻璃钢的刚度较低。对玻璃纤维的弹性模量起主要作用的是其化学组成。实验证明，加入BeO、MgO能提高玻璃纤维的弹性模量，含BeO的高模量玻璃纤维（M），其弹性模量比无碱玻璃纤维（E）提高60%。
4、玻璃纤维的耐磨性和耐折性
玻璃纤维的耐磨和耐扭折性很差，磨擦和扭折很容易使纤维受伤断裂，当纤维表面吸水后，其耐磨、耐折性进一步降低。为了提高其耐磨、耐白发一，可采取适当的表面处理办法。如经0.2%阳离子活性剂水溶液处理后，其纤维的耐磨性将比未处理的提高200倍。经A-172硅烷偶联剂处理后其耐扭折性能可大幅度提高。
5、玻璃纤维的热性能
玻璃纤维的导热性非常小，在室温下，其导热系数为0.027W/（m·k），玻璃棉在温度升至200～300℃时，其导热系数也不超过0.06～0.08W/（m·k），因此玻璃纤维是一种耐高温的隔热材料。玻璃纤维耐热性较高，软化点为550～850℃，其热膨胀系数为4.8×10^-6/℃，比热为0.795K·J/Kg。在高温下，玻璃纤维不会燃烧，在220～250℃以下其强度不变。
玻璃纤维的耐热性取决于它的化学成分。当在无碱玻璃成分中加入10～15%的氧化锆、氧化钛或氧化铝，可使玻璃纤维使用温度提高到700～800℃，在30秒短期作用下，耐热性可达1000℃，而石英和高硅氧纤维可高达2000℃。
如果将玻璃纤维加热至250℃以上后再冷却，则强度明显下降，而且温度越高，强度下降越明显。如：
300℃处理24h，强度下降20%
400℃处理24h，强度下降50%
500℃处理24h，强度下降70%
600℃处理24h，强度下降80%
强度下降的程度，与热处理时间有关，玻璃布热处理温度虽然高，但因受热时间短，故强度降低不大。
6、玻璃纤维的电性能
玻璃纤维同玻璃一样，在外电场作用下，因玻璃纤维内的离子产生迁移而导电，玻璃纤维的导电率取决于化学组成、温度和湿度。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的绝缘性好，碱金属离子越多，电绝缘性能越差。玻璃纤维的电阻率随温度的升高而下降，在潮湿的环境中，玻璃纤维表面会吸附一层很薄的水膜，从而降低了表面的电阻率。玻璃纤维的化学组成中，加入大量氧化铁、氧化铝、氧化铜、氧化铋或氧化钒，会使玻璃纤维有半导体性能。在玻璃纤维上涂敷金属或石墨，能获得导电纤维，可消除静电的玻璃钢产品就是根据上述方法制成的。
7、光学性能
玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维或其织物后，其透光性能远不如玻璃。玻璃布的透光系数与织物的厚度及密度有关。因为玻璃纤维具有优良的光学性能，故可用作制造透明玻璃钢用于屋面采光材料，可用作制造光导纤维管，它是现代通讯中的主要材料。
（三）玻璃纤维的化学性能
玻璃纤维对各种腐蚀介质（水、蒸汽、弱碱溶液及化学试剂等）的抵抗能力是玻璃纤维化学稳定性的标志。玻璃纤维除氢氟酸（HF）、浓碱（NaOH）、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性，化学稳定性在很大程度上决定了各种纤维的使用范围。
1、腐蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
根据网络结构假设可知，二氧化硅四面体相互连接构成玻璃纤维结构的骨架，是很难与水、酸（H₂PO₄、HF除外）起反应的，同时在玻璃纤维结构中还有Na⁺、Ca⁺、K⁺等金属离子及SiO₂与金属离子结合的硅酸盐部分，当腐蚀介质与玻璃纤维制品作用时，大多是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分；但在浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等作用下，将导致玻璃结构的全部溶解。
2、影响玻璃纤维化学稳定性的因素
（1）玻璃纤维的化学成分
中碱玻璃纤维对酸的稳定性是较高的。但对水的稳定性较差；无碱玻璃纤维和中碱玻璃纤维，以弱碱液对玻璃纤维强度的影响看，二者耐碱性相近。各种玻璃纤维化学成分中的主要成分是SiO₂，其次是碱金属氧化物，其化学稳定性视两者含量而定，一般来说，二氧化硅含量多，则化学稳定性高，而碱金属氧化物多则化学稳定性降低。
（2）玻璃纤维表面情况对化学稳定的影响
玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，但拉制成玻璃纤维后，其化学稳定性远不如块状玻璃，这主要是由于玻璃纤维的表面积大所造成的。
（3）温度对玻璃纤维化学稳定性的影响
温度对玻璃纤维的化学稳定性有很大影响，在100℃以下时，温度每升高10℃，纤维在介质侵蚀下的破坏速度将增加50～150%，当温度升高到100℃以上时，破坏作用更剧烈。
答案解析：
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