王玉梅 陳 尚 （南京玻璃纖維研究設計院 南京210012） 【摘要】作者從對無堿、中堿和耐堿玻璃基本性能的試驗研究從發，闡述了玻璃成分對玻璃纖維力學性能、化學穩定性和脆性的影響。結合建筑外墻外保溫工程的要求，對中堿和耐堿玻璃纖維網布拉伸斷裂強度、耐堿性、斷裂伸長率和涂覆量進行了試驗研究。通過對試驗結果的分析，提出了無堿和中堿玻璃纖維網布的拉伸強度大于耐堿玻璃纖維網布約30%左右；經涂覆處理的中堿玻璃纖維網布用于聚合物基的外墻外保溫系統是可靠的；耐堿玻璃纖維由于本身具有一定的耐堿性，再經過涂覆處理，增加了表面保護層，耐強堿的能力優于中堿玻璃纖維網布的觀點。作者希望通過本文的討論能夠給建筑外墻外保溫工程和網布的用戶提供一些有益的幫助。 【Abstract】Based on the research of fundamental properties of E glass, C glass and AR glass, this article expounds the influence of glass ingredient on the mechanical property, chemical stability and brittleness of glassfiber. In line with the engineering requirement of EIFS, a lot of tests were conducted on the tensile strength, breakage elongation, alkali resistance and resin content of C and AR glassfiber mesh. Analysis to the test results shows that the tensile strength of E and C glassfiber mesh is greater than that of AR glassfiber by about 30%. And the plastic coated C glassfiber mesh is reliable in Class PB EIFS application. Due to its alkali-resistant ability, AR glassfiber mesh, after plastic coating, has a further protective layer and better resistance to strong alkali than C glassfiber mesh. That’s another point brought up by this article. The author hopes to provide useful help to ELFS engineering and the user of glassfiber mesh. 關鍵詞：外墻外保溫；玻璃纖維；網布；性能 Key words: EIFS; glassfiber; mesh; properties 2006年我國外墻外保溫用玻璃纖維網布的總產量約為8.5萬噸，其中中堿玻璃纖維網布8萬噸，耐堿玻璃纖維網布5千噸。玻璃纖維網布性能如何，能否滿足外墻外保溫工程的應用，這是行業內外都十分關心的問題。 外墻外保溫用玻璃纖維網布是指用玻璃纖維紗線織造再經涂覆有機樹脂而成的一種網格狀的織物。它具有較高的抗拉強度，穩定的外形尺寸和良好的化學穩定性，不生銹不腐爛，是國際和國內外墻外保溫系統目前廣泛采用的增強材料。 按照玻璃纖維網布所用玻璃纖維的類型，把玻璃纖維網布分為無堿玻璃纖維網布、中堿玻璃纖維網布和耐堿玻璃纖維網布。由于原材料、性能和價格等方面的原因，我國目前幾乎不生產無堿玻璃纖維網布，工程中大量使用的是中堿玻璃纖維網布，其次是耐堿玻璃纖維網布。自2003年以來，國家玻璃纖維產品質量監督檢驗中心為制訂外墻外保溫用玻璃纖維網布產品標準，對玻璃纖維網布的性能進行較為系統的試驗和研究，本文僅就玻璃纖維網布的性能試驗研究結果做一探討和分析。 玻璃的基本性能 1化學成分 中堿、 無堿和耐堿玻璃纖維的名稱是由我國自行命名的，中堿玻璃和無堿玻璃是按照玻璃中堿金屬氧化物含量的多少區分的，而耐堿玻璃是按照其具有的性能命名的。按照國際標準的命名方法，應分別稱為：C玻璃、E玻璃和AR玻璃，其涵義是：C玻璃（中堿玻璃），chemical resistance，耐化學侵蝕；E玻璃（無堿玻璃），good electrical properties，良好的電絕緣性能；AR玻璃（耐堿玻璃，也有人譯為抗堿玻璃），alkaline resistant。應特別指出的是，目前我國生產的耐堿玻璃纖維網布與國外的AR玻璃相比，在化學組成上存在較大差異，主要是氧化鋯含量較低。 玻璃之所以具有這些不同的性能，是因為其化學組成不同，玻璃的化學組成決定了玻璃的物理化學性質和工藝性質，也決定了玻璃的生產成本。中堿、無堿和耐堿玻璃的主要化學成分見表1。[1] 表1 無堿、中堿和耐堿玻璃主要化學成分 %
從表1中可以看出，無堿玻璃堿金屬氧化物含量小于0.8%，中堿玻璃堿金屬氧化物含量為11.6%～12. 4%。與無堿和中堿玻璃不同的是，耐堿玻璃中含有約為14.5%的氧化鋯和6%的氧化鈦。氧化鋯是耐堿玻璃可以抵抗堿性侵蝕的主要成分，鋯含量越高，玻璃的耐堿性就越好。但氧化鋯又是一種難熔物質，鋯含量越高，玻璃熔制越困難。由于在生產鋯含量較高的玻璃纖維時，在玻璃的熔化、澄清、均化和成形等方面都存在較大的困難，因此我國目前生產的耐堿玻璃纖維還不是真正的AR玻璃，耐堿玻璃纖維網布的氧化鋯含量只能達到14.5%左右，而AR玻璃氧化鋯的含量一般在19%以上。 中堿玻璃因其原料來源廣泛易得，且其熔制溫度較低，易于拉絲成型，因而其生產成本較低，價格較便宜。而耐堿玻璃生產中所使用的鋯英砂原料國內稀少，需從國外進口，因而其價格也相對較高。 1．2力學性能 玻璃纖維網布的強度取決于織造網布用的紗線的強度，而紗線的強度又取決于纖維的強度，纖維的強度與其化學組成相關。國際上都是以新生態纖維的強度來代表玻璃的強度，所謂新生態纖維是指玻璃熔體流經拉絲漏板漏嘴后剛形成的纖維。此時的纖維尚未遭受空氣中水分的侵蝕，纖維表面微裂紋的數量和尺寸都極小，此時的測得的強度較真實有可比性。表2給出了無堿、中堿和耐堿三種玻璃的新生態纖維拉伸強度。[2] 表2 玻璃新生態纖維拉伸強度
從表2中可以看出，無堿玻璃的強度最高，中堿玻璃次之，耐堿玻璃的強度最低。影響強度的因素有很多，按格里菲斯微裂紋缺陷理論：玻璃纖維的理論強度取決于分子之間的引力（與玻璃成分和結構有關），其理論強度很高。但由于玻璃纖維中存在著數量不等、尺寸不同的微裂紋，使實際強度大大降低。微裂紋分布在玻璃纖維的整個體積內，但以表面裂紋危害最大，在外力作用下，微裂紋處產生應力集中而發生破壞。根據這個理論，我們得出影響玻璃強度的主要因素有：①化學成份?；瘜W組成不同，玻璃結構的緊密程度不同，分子間引力不同，強度也不同；②纖維的直徑。直徑越細，可能出現的微裂紋的數量和尺寸就越少，強度越大；③存放時間。存放時間增加，吸附的水分會造成纖維表面微裂紋擴展，強度下降；④玻璃液的缺陷。如化學不均勻、結晶、雜質、結石、氣泡等，研究結果認為：當玻璃中存在結晶時會降低強度，最大可降低52%，當存在微小氣泡時，強度可下降20%，可見玻璃液質量對保證纖維強度至關重要。⑤成型的影響。成型時的溫度高，玻璃液的熔制質量會提高，玻璃液缺陷減少，拉絲成型后冷卻的速度越快，析出的超微晶體的數量和尺寸越少,缺陷和微裂紋也越少,纖維的強度就越高。 彈性模量和斷裂伸長率也是反映材料性能的重要指標。玻璃纖維彈性模量高，伸長小并且沒有塑性伸長，這是玻璃纖維的特性。彈性模量和斷裂伸長率主要取決于玻璃成份，與纖維的直徑關系不大，相同成份不同直徑的玻璃具有大致相同的彈性模量和伸長率。表3給出了無堿、中堿和耐堿三種玻璃纖維的彈性模量和斷裂伸長率。 表3 玻璃彈性模量和斷裂伸長率
1．3化學穩定性 化學穩定性是指玻璃抵抗水、酸、堿等介質侵蝕的能力。通常以受介質侵蝕前后的質量損失、析出的堿量及進入侵蝕介質中的玻璃組分、強度損失和直徑減少率等指標來衡量。 玻璃具有良好的耐水性和耐酸性，幾乎不受水氣和酸性介質的侵蝕。但當拉制成玻璃纖維時，其表面積大大增加，受介質的侵蝕要比玻璃劇烈得多。表4給出了無堿和中堿玻璃纖維的耐水性。它是以5000cm2表面積的試樣，在250ml蒸餾水中煮3h測得的結果。[3] 表4玻璃纖維的耐水性
表5給出了無堿和中堿玻璃纖維的耐酸性。它是以5000cm2表面積的試樣，在0.25mol/lH2SO4溶液中煮3h測得的結果。 表5 玻璃纖維的耐酸性
從表4中可以看出，無堿玻璃在水中的失重和析堿量都低于中堿玻璃，表明無堿玻璃的耐水性優于中堿玻璃。表5顯示在酸溶液中，中堿玻璃的失重遠低于無堿玻璃，這說明中堿玻璃的耐酸性明顯優于無堿玻璃。 耐堿性差是硅酸鹽玻璃的弱點，它限制了玻璃纖維的應用范圍，由此從上世紀七十年代以來各國的科學家們對其作了大量的研究，并研制出了耐堿玻璃纖維。所謂耐堿玻璃是指其耐堿性相對中堿和無堿玻璃要強。為了深入了解各種玻璃耐堿性能的強弱，國家玻璃纖維產品質量監督檢驗中心進行了系統的測試研究。表6給出了無堿、中堿和耐堿玻璃耐堿性的試驗結果。為使試驗結果有可比性，試驗采用相同比表面積的玻璃球進行，每個玻璃球質量約為30g，表面積約為36cm2。堿性介質采用5%NaOH溶液（50g NaOH溶于1L蒸餾水），耐堿性以失重和溶出的硅離子濃度進行衡量。[4] 表6 無堿、中堿和耐堿玻璃的耐堿性
從表6中可以看出： ①無論是失重還是溶出硅離子濃度，無堿玻璃都是最高，耐堿玻璃最低，由此得的出三種玻璃的耐堿性能排列順序為：耐堿玻璃＞中堿玻璃＞無堿玻璃。 ②隨著溫度的升高，失重和溶出硅離子濃度越來越大，說明溫度升高會加劇堿性介質對玻璃的侵蝕。 ③耐堿玻璃的耐堿性對溫度變化最為敏感，同樣處理條件下其耐堿性能隨溫度升高的衰減速度要大于無堿和中堿。在“沸騰，3h”的處理條件下測得的耐堿玻璃的耐堿性與“80℃，6h”處理條件下測得的中堿玻璃的耐堿性相當。 1．4脆性 玻璃纖維是脆性材料，斷裂伸長率通常約在4%左右。玻璃纖維的脆性可以用纖維的圈結直徑表示。將玻璃纖維結一個圓圈，用兩只手分別拿住纖維的兩端，然后逐漸縮小圓圈的直徑，纖維被折斷前圓圈的最小直徑即為圈結直徑。纖維脆性越大，圈結直徑也越大。纖維的脆性是由纖維的直徑和斷裂伸長率所決定的。研究表明，玻璃纖維的脆性和它的直徑的四次方成正比，當玻璃纖維直徑降低至3.8μm以下時，它比普通滌淪纖維還要軟四倍，國際上把直徑3.8μm的玻璃纖維稱為“貝他紗”，他可用來制作柔軟的宇航服等。直徑相同的玻璃纖維，斷裂伸長率越大，脆性越小。。由前面表3可以看出，無堿玻璃纖維脆性最小，中堿玻璃纖維次之，耐堿玻璃纖維最大。雖然現在還沒有其他降低玻璃纖維脆性的更好的方法，但至少可以通過減小纖維直徑來降低玻璃的脆性。了解玻璃纖維的脆性對正確使用玻璃纖維網布有著重要的現實意義，如工程上要選用纖維直徑細的網布，在使用中避免使網布受到扭曲、磨損、折疊等可能對性能產生影響的損傷。 2 玻璃纖維網布的性能 1拉伸斷裂強力 玻璃纖維網布的拉伸斷裂強力是指將單位寬度的試樣拉伸至斷裂時所需施加的最大力，通常以N/50mm為單位。 玻璃纖維網布是外墻外保溫系統的增強材料，其拉伸強度的高低對系統的沖擊強度、剪切強度、剝離強度都有較大的影響。表7給出了現行業標準JC561.2－2006《增強用玻璃纖維網布第2部分：聚合物基外墻外保溫用玻璃纖維網布》對無堿和中堿玻璃纖維網布的拉伸強度要求，表8給出了JC/T 841《耐堿玻璃纖維網布》新標準中對耐堿玻璃纖維網布的拉伸強度要求。 表7 無堿、中堿玻璃纖維網布拉伸斷裂強力
表8 耐堿玻璃纖維網布拉伸斷裂強力
從表7和表8中，我們可以看出標準中對無堿和中堿玻璃纖維網布拉伸斷裂強力的要求比耐堿玻璃纖維網布高約30%。對網布的實測結果也大致如此，那么影響耐堿玻璃纖維網布拉伸斷裂強力的因素有哪些呢？ ①玻璃成分的影響。從前面的討論中已知無堿和中堿玻璃的強度大于耐堿玻璃。 ②纖維直徑的影響。由于拉制細直徑的耐堿纖維非常困難，目前織造耐堿玻璃纖維網布的纖維直徑通常在11μm～13μm。由于纖維直徑較粗，強度就低，柔軟性也差。 ③玻璃液缺陷的影響。由于熔制困難，玻璃難免會存在一些缺陷，如化學不均勻、結晶等可能會影響纖維的強度。 2.2網布斷裂伸長率 網布的斷裂伸長率也稱為斷裂應變。玻璃纖維的伸長率一般為4%左右，且無塑性伸長，在外墻外保溫抹面層上使用玻璃纖維網布可以有效地抵抗抹面砂漿裂紋的伸展，阻止砂漿開裂，提高抹灰層的抗沖擊強度。在相關的外墻外保溫系統的標準中規定玻璃纖維網布的斷裂應變應不大于5%。網布的斷裂伸長率主要取決于玻璃纖維的性能，由于在實際測試中，網布試樣中的紗線受力并不是完全均勻，有的纖維還未到達其極限強度而有的纖維已發生斷裂，從而造成網布斷裂應變大都低于玻璃纖維的斷裂伸長率。其它如網布用的紗線捻度、織造中紗線的曲屈程度等因素，也會對斷裂伸長率有一定的影響。目前的織造經紗采用低捻度有捻紗，緯紗均采用無捻粗紗，捻度的影響很小；另外網布織造中出現的紗線不直、網眼歪斜等問題造成紗線曲屈的影響也會增加網布的斷裂應變，但試驗中試樣的限制，這部分的影響也很小。 2．3耐堿性 從前面對玻璃性能的討論中可以看出，無堿和中堿玻璃纖維本身都不具備耐堿性，耐堿玻璃纖維也會受到堿性介質的侵蝕，玻璃纖維網布耐堿性的提高主要靠纖維表面包裹的有機涂覆層來完成。 玻璃纖維網布的耐堿性以網布在堿性介質中浸泡后拉伸斷裂強力的保留率表示。目前測試網布耐堿性的方法比較多，例如：GB/T 20102－2006《玻璃纖維網布耐堿性試驗方法 氫氧化鈉溶液浸泡法》該國家標準等同采用了美國ASTM E2098標準、JC561.2－2006附錄B、JGJ144－2004《外墻外保溫工程技術規程》A.12條、JG158－2004《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統》第6.7.6條。這些方法中規定的堿性介質不同，處理的條件也不相同，為便于比較，將各種方法的試驗條件列于表9。 表9 耐堿性試驗方法對比
表10給出了用各種方法對經涂覆處理的中堿玻璃纖維網布耐堿性的測試結果。 表10 中堿玻璃纖維網布耐堿性測試結果
從表10中可以看出： ①同一樣品，同一處理條件，在不同的堿性介質中，得到的測試結果完全不同。“5%NaOH溶液”處理后得到的測定值最低；“水泥凈漿”處理后得到的測定值最高。 ②同一樣品，相同的堿性介質，在“80℃，6h”的處理條件下得到的耐堿性測定值比在“常溫，28天”的處理條件下得到的測定值的低，說明在“80℃，6h”的條件下，網布抵抗堿侵蝕的能力要比在“常溫28天”的差。 ③緯向試樣的耐堿性要普遍好于經向試樣。這可能是由于網布的結構造成的。目前的玻璃纖維網布組織形式基本上都是紗羅結構，經紗采用有捻紗兩股紗線上下交替，緯紗采用扁平的無捻粗紗，從兩股交替的經紗中穿過，在進行涂覆處理時，帶有捻度和旋轉的經紗不易完全被裹覆，更易遭受堿性介質的侵蝕。。 ④測試結果之間的波動性較大。這可能是網布本身的不均勻造成的，所以測試時應使浸泡前后的試樣取自同一經紗或緯紗，以盡量減少由于網布本身的不均勻帶來的試驗偏差。 耐堿玻璃纖維網布耐堿性測試由陜西華特玻璃纖維有限公司提供，結果見表11。表11 耐堿玻璃纖維網布耐堿性測試結果
從表11中列出的耐堿玻璃纖維網布的測試結果與表10中同條件下的中堿玻璃纖維網布的測試結果的比較中，我們可以得出：耐堿玻璃纖維網布在“5%NaOH溶液，常溫28天”處理條件下得到的耐堿性好于中堿玻璃纖維網布。這是由于耐堿玻璃本身具有一定的耐堿性，不完全依賴于涂覆層。 經涂覆處理的中堿玻璃纖維網布在堿性介質的長期作用下的耐堿性，國家玻璃纖維產品質量監督經驗中心曾于2003年進行過長達半年的測試。測試結果列于表12。 表12 中堿玻璃纖維網布長期耐堿性的試驗結果
從表中可以看出， ①在短時期內（28天）混合堿溶液（堿度較低PH12.5）與5%氫氧化鈉溶液（堿度較高）對經涂覆處理的中堿玻璃纖維網布的侵蝕結果相差不大。但長期浸泡試驗比較，5%氫氧化鈉溶液處理條件下的試樣強力保留率要比混合堿溶液浸泡條件下試樣的強度保留率下降得很多，說明強堿溶液對涂覆處理的中堿玻璃纖維網布的長期侵蝕作用是非常顯著的； ②在混合堿溶液處理條件下，浸泡2個月和浸泡6個月得到的結果沒有顯著性差異，浸泡6個月后的強度保留率仍可達70%，說明中堿玻璃纖維經過涂覆處理后在堿度較低介質的性能是比較穩定的； ③混合堿溶液處理條件下個別樣品出現的浸泡時間延長，強度卻提高的現象，可能是樣品本身不均勻所致。 在耐堿性試驗過程中，以下兩點若處理不當會導致試驗結果失真。 ①浸泡過程中試樣要平直的放入堿溶液中，不能卷曲，更不能折疊，同時應確保容器密封，不能有水分揮發，否則堿溶液濃度發生變化會影響試驗的結果。 ②浸泡后試樣干燥的溫度和條件對試驗結果也有較大的影響，常溫干燥比強制干燥測得的強度要高；干燥溫度越高，干燥時間越長，測得的強度越低。 2．4網布的涂覆量 網布涂覆量在相關產品標準中也稱為可燃物含量，它是指施加在玻璃纖維網布表面的有機物質（可在625℃溫度下灼燒去掉的物質）的含量。網布的涂覆層有兩種作用：一是保護纖維免受堿性介質的侵蝕，賦予玻璃纖維網布良好的耐堿性；二是能使網布具有足夠的硬挺度，網格不變形，紗線不滑移，便于外墻外保溫工程的施工?，F行產品標準中都對此作了明確規定：JC561.2－2006標準中規定“中堿和無堿玻璃纖維網布涂覆量應不小于20%”、JC/T841－2007標準中規定“耐堿玻璃纖維網布的涂覆量應不小于12%”。在生產過程中，涂覆層是以漿料的形式被網布吸附到表面，再經焙烘、脫水、化學反應成膜、卷取等過程固化定型。涂覆量的大小是網布的重要指標，在生產過程中要嚴格控制工藝參數和過程，例如漿料的濃度、溫度和浸膠速度等。既要保證網布的涂覆量，又要保證涂覆的均勻、不糊眼。另外網布的成本和與砂漿的粘結問題也是要考慮的因素，涂覆層的價格要高于玻璃纖維的價格，涂覆量的增加會增加生產成本，抬高網布價格。還有如果涂覆量過大，也可能造成網布與砂漿粘結不牢。 3、結語 通過對無堿、中堿和耐堿玻璃及玻璃纖維網布性能的研究，分析了影響玻璃纖維網布拉伸斷裂強度、耐堿性、斷裂伸長率等的主要因素，我們認為： 3．1 玻璃纖維的性能與其化學組成有關，玻璃纖維強度：無堿玻璃＞中堿玻璃＞耐堿玻璃；耐堿性：耐堿玻璃＞中堿玻璃＞無堿玻璃。 3．2 玻璃纖維網布的強度是可設計的，各種規格的網布可以滿足外墻外保溫對網布強度的不同要求。同等規格的網布拉伸斷裂強力：中堿、無堿＞耐堿。 3．3 外墻外保溫用的玻璃纖維網布必須進行涂覆處理，涂覆層的材料、涂覆量和涂覆包裹的嚴密性都會直接影響網布的耐堿性和施工質量。 3．4 經涂覆處理的中堿玻璃纖維網布在PH12.5堿性介質中性能穩定，可以用于聚合物基的外墻外保溫系統中。 3．5耐堿玻璃纖維本身具有一定的耐堿性，再經涂覆處理增加了保護層，耐堿玻璃纖維網布的耐堿性應優于中堿玻璃纖維網布，可用于堿性更強些的水泥基系統中。 文章來源：互聯網 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
