玻璃鋼，學(xué)名纖維增強(qiáng)塑料，俗稱FRP（Fiber Reinforced Plastics），即纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料，一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂基體，以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，或稱為玻璃鋼，不同于鋼化玻璃。根據(jù)采用的纖維不同分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（GFRP），碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（CFRP），硼纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和基體組成。纖維（或晶須）的直徑很小，一般在10μm以下，缺陷較少又較小，斷裂應(yīng)變約為千分之三十以內(nèi)，是脆性材料，易損傷、斷裂和受到腐蝕?；w相對(duì)于纖維來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度、模量都要低很多，但可以經(jīng)受住大的應(yīng)變，往往具有粘彈性和彈塑性，是韌性材料。玻璃鋼是近五十多年來(lái)發(fā)展迅速的一種復(fù)合材料。玻璃纖維的產(chǎn)量的70%都是用來(lái)制造玻璃鋼。由于所使用的樹(shù)脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之別。其生產(chǎn)工藝有手糊成型技術(shù)、噴射成型技術(shù)等。玻璃鋼質(zhì)輕而硬、不導(dǎo)電、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、回收利用少、耐腐蝕，其性能參數(shù)有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、受拉彈性模量、極限伸長(zhǎng)、熱膨脹系數(shù)、密度等。
玻璃鋼作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)于1942年，美國(guó)軍方用手糊工藝制成的玻璃鋼制作雷達(dá)天線罩。中國(guó)于1958年成功壓制第一塊玻璃鋼板。目前，玻璃鋼以各種形式應(yīng)用于各類(lèi)土木與建筑結(jié)構(gòu)工程中，形成了從原材料、成型工藝、成型設(shè)備到性能測(cè)試等較完整的工業(yè)體系。
發(fā)展歷史
世界
1942年，美國(guó)軍方用手糊工藝制成的玻璃鋼制作雷達(dá)天線罩，玻璃鋼首次作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)。
20世紀(jì)50至60年代，玻璃鋼開(kāi)始用于民用建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中，均為手糊工藝制成。1961年的一座英國(guó)教堂的尖頂采用了玻璃鋼；1968年英國(guó)工程師用玻璃鋼板和鋁制骨架建造了一個(gè)穹頂、建成一座全玻璃鋼折板結(jié)構(gòu)倉(cāng)庫(kù)；1970年，英國(guó)建成一座玻璃鋼連續(xù)梁的人行天橋。此后至20世紀(jì)末，玻璃鋼在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多，但這些應(yīng)用大多數(shù)都是附屬性、臨時(shí)性的構(gòu)件，而非作為結(jié)構(gòu)材料使用，其優(yōu)越性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮。
20世紀(jì)末21世紀(jì)初，尤其是美國(guó)北嶺地震和阪神大地震后，玻璃鋼等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在工程中得到良好應(yīng)用，隨著該技術(shù)在世界各地的推廣發(fā)展，玻璃鋼等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)越性能被工程界逐漸認(rèn)可，開(kāi)始以各種形式應(yīng)用于各類(lèi)土木與建筑結(jié)構(gòu)工程中。20世紀(jì)初至今，隨著玻璃纖維、合成樹(shù)脂等原材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和各種新技術(shù)新設(shè)備的涌現(xiàn)，玻璃鋼工業(yè)得到長(zhǎng)足進(jìn)步，形成了從原材料、成型工藝、成型設(shè)備到性能測(cè)試等較完整的工業(yè)體系。
中國(guó)
中國(guó)于1958年成功壓制第一塊玻璃鋼板，開(kāi)始探索在混凝構(gòu)件中用玻璃纖維束代替鋼筋，標(biāo)志著中國(guó)玻璃鋼工業(yè)正式誕生。
此后，玻璃鋼在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究逐漸增多。1972年，在云南省建造一個(gè)直徑為44m的球形玻璃鋼雷達(dá)天線罩；1982年，在北京密云建成一座跨徑20.7m的玻璃鋼蜂窩箱梁公路橋，是世界上第一座纖維增強(qiáng)復(fù)合材料公路橋。
20世紀(jì)末至今，中國(guó)玻璃鋼在生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品種類(lèi)、生產(chǎn)規(guī)模等方面已形成較為完善的工業(yè)體系，工藝技術(shù)及裝備與國(guó)際同步，產(chǎn)品種類(lèi)齊全，標(biāo)準(zhǔn)化體系和研發(fā)生產(chǎn)測(cè)試體系不斷完善，從業(yè)人員不斷增多，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
原理與性能
形成原理
玻璃鋼由玻璃纖維及其制品與合成樹(shù)脂制成，根據(jù)其樹(shù)脂材料的不同可分為聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等。玻璃鋼中玻璃纖維是主要受力材料，高強(qiáng)輕質(zhì)，性能突出，可提高復(fù)合材料低溫抗沖擊性及剛度，減少聚合物基體的低溫收縮；沒(méi)藥樹(shù)基體將纖維粘結(jié)在一起，起到保擴(kuò)纖維的作用，當(dāng)復(fù)合材料受到載荷時(shí)，聚合物基體通過(guò)剪切作用均勻的將應(yīng)力分配給纖維，使纖維受力均勻，形成所需要的制品或構(gòu)建形狀。
性能指標(biāo)
玻璃鋼中玻璃纖維的性能參數(shù)有比重、拉伸強(qiáng)度、彈性模量、熱脹系數(shù)、延伸率、比強(qiáng)度、比模量等；樹(shù)脂基體的性能參數(shù)有熱變形溫度、拉伸強(qiáng)度、延森率、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量等；玻璃鋼的性能參數(shù)有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、受拉彈性模量、極限伸長(zhǎng)、熱膨脹系數(shù)、密度等。
性能
玻璃鋼質(zhì)輕而硬、不導(dǎo)電、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、回收利用少、耐腐蝕。對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類(lèi)和溶劑都有較好的抵抗能力。已應(yīng)用到化工防腐的各個(gè)方面，正在取代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬等。
聚酯玻璃鋼的性能
聚酯玻璃鋼品種很多，是國(guó)內(nèi)使用最多的一個(gè)種類(lèi)，按聚酯品種可分為鄰苯型、間苯型、雙酚型及丙烯酸型。雙酚型及丙烯酸聚酯玻璃鋼有較好的耐酸、耐堿性能、不耐氧化性能，使用溫度不宜過(guò)高。
環(huán)氧玻璃鋼的性能
環(huán)氧玻璃鋼的物理力學(xué)性能、耐腐蝕性能與使用固化劑的品種有密切關(guān)系。ep原始狀態(tài)粘度低，流動(dòng)性好，可更好的浸潤(rùn)纖維表面形成完整的結(jié)合界面；固化后固化物具有良好的力學(xué)性能，粘結(jié)強(qiáng)度大，常用作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體材料。研究表明，因MFE-2環(huán)氧乙烯基玻璃鋼比189不飽和聚酯玻璃鋼的酯基密度較低，在海洋環(huán)境中具有更好的耐久性。樹(shù)脂分子鏈上的酯基在海水環(huán)境中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)、收紫外光攻擊而分解，還會(huì)吸附水分子，使分子鏈斷裂，破壞玻璃鋼。
酚醛玻璃鋼的性能
研究表明，酚醛玻璃鋼密度小，機(jī)械強(qiáng)度高，與聚酯玻璃鋼相比具有更高的強(qiáng)度、更低的密度、更好的耐高溫性能。酚醛玻璃鋼燃點(diǎn)較高，屬于難燃材料，在劇烈燃燒時(shí)表面產(chǎn)生碳化結(jié)構(gòu)阻礙材料進(jìn)一步燃燒，與聚酯玻璃鋼相比防火性能更好、毒性相對(duì)更低。
生產(chǎn)工藝
手糊成型技術(shù)與自動(dòng)疊層成型技術(shù)
手糊成型技術(shù)是用不飽和聚酯、ep等室溫固化的熱固性樹(shù)脂，將玻璃纖維及其織物等增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起的一種無(wú)壓或低壓成型技術(shù)，主要工序是在涂有脫模劑的模具上，交替地刷或噴一層樹(shù)脂膠液，然后鋪一層纖維增強(qiáng)材料，如此重復(fù)操作，直至達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求。我國(guó)有90%以上的FRP產(chǎn)品是手糊法生產(chǎn)的，手糊法的特點(diǎn)是用濕態(tài)樹(shù)脂成型，設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用少，一次能糊10m以上的整體產(chǎn)品。缺點(diǎn)是機(jī)械化程度低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，質(zhì)量不穩(wěn)定。其他有纏繞法、層壓法等。
自動(dòng)疊層成型技術(shù)可代替手工疊層技術(shù)，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的控制軟件和機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)完成增強(qiáng)材料的浸膠和鋪疊。
噴射成型技術(shù)
噴射成型技術(shù)是從手糊成型工藝發(fā)展而來(lái)，利用噴槍將玻璃纖維切斷、噴散，使纖維和霧化的樹(shù)脂膠液在空間混合后，噴射到模具上，然后用壓壓實(shí)，固化而得制品。
模壓成型技術(shù)、片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料成型工藝
模壓成型技術(shù)是將模壓料預(yù)熱、預(yù)成型后，裝入已預(yù)熱并涂有脫模劑的模具中，壓制后脫模，經(jīng)過(guò)修飾得到成品。
片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料成型工藝是短纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂的模壓料，成型加工時(shí)無(wú)須進(jìn)一步預(yù)固化、干燥以去除揮發(fā)分或經(jīng)過(guò)其它加工步驟加熱模具，在足以使材料能夠流動(dòng)、壓實(shí)而又不太大的獲力條件下模壓。
反應(yīng)注塑成型技術(shù)
反應(yīng)注塑成型技術(shù)是將液體沒(méi)藥樹(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)量混合后注入模具中，在模具中發(fā)生化學(xué)變化并固化成一定形狀的制品 。
拉擠成型技術(shù)、纏繞成型技術(shù)與拉擠——纏繞復(fù)合成型技術(shù)
拉擠成型技術(shù)是將浸漬過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)玻璃纖維束或布帶，通過(guò)成型模具模塑成型，在模具中或加熱爐中進(jìn)行固化，在牽引機(jī)構(gòu)拉力作用下，連續(xù)拉拔出無(wú)限長(zhǎng)度的玻璃鋼型材的方法。
纏繞成型技術(shù)是將經(jīng)過(guò)表面處理的連續(xù)玻璃纖維合股毛紗或玻璃布帶浸漬樹(shù)脂膠液后，連續(xù)地纏繞在模芯上或內(nèi)襯上，然后經(jīng)加熱固化或常溫固化，脫除模芯，即得制品。
拉擠——纏繞復(fù)合成型技術(shù)是在拉擠工藝的固化成型之前的適當(dāng)環(huán)節(jié)之間引入纏繞工藝，構(gòu)成一個(gè)以拉擠工藝為主，纏繞工藝為輔的復(fù)合材料成型系統(tǒng)。
擠出、注射成型工藝、樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)
擠出成型是用雙螺桿擠出機(jī)，將增強(qiáng)粒料經(jīng)口模連續(xù)擠出并固化成型而得產(chǎn)品。注射成型是將增強(qiáng)粒料通過(guò)料筒加熱軟化后，在一定壓力下注射到閉合的模具型腔中固化而成制品。
樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)是從注射成型工藝和濕法鋪層工藝中演變而來(lái)的一種新的復(fù)合材料成型技術(shù)，是將預(yù)促進(jìn)樹(shù)脂在一定條件下，注入預(yù)先鋪設(shè)好增強(qiáng)材料的封閉模腔中的玻璃纖維增強(qiáng)塑料成型技術(shù)。
應(yīng)用領(lǐng)域
玻璃鋼可應(yīng)用于基礎(chǔ)工程、建筑與結(jié)構(gòu)、陸上交通運(yùn)輸、船艇、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。
建筑行業(yè)
建筑與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)、建筑模板、墻板、配筋混凝土、橋面板、路面等領(lǐng)域?qū)哂休p質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕性能的玻璃鋼需求不斷增大。
鐵路與海上運(yùn)輸領(lǐng)域
隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，玻璃鋼在汽車(chē)、高鐵、地鐵上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。其在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用由車(chē)身殼體、硬頂、天窗大燈反光板等車(chē)身部件逐步向前端支架、保險(xiǎn)杠骨架等結(jié)構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)罩蓋、進(jìn)氣歧管等功能件方向發(fā)展。高速列車(chē)機(jī)車(chē)車(chē)頭、車(chē)內(nèi)裝修裝飾件等部件大多采用玻璃鋼材料。
隨著漁業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代科技的進(jìn)步，玻璃鋼漁船作為一種新型的船舶材料和設(shè)計(jì)方式，因其輕量化、耐腐蝕、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在漁業(yè)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，逐漸取代傳統(tǒng)的金屬船體。通常35m以下的船艇選擇復(fù)合材料做艇體和上部結(jié)構(gòu)；35至100m的船艇選擇金屬做艇體，上部結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料。產(chǎn)品涵蓋漁船、游艇、帆船等上百個(gè)品種。
工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域
玻璃鋼作為工業(yè)設(shè)備材料，產(chǎn)品主要有各類(lèi)拉擠型材、格柵等。目前中國(guó)主要的拉擠產(chǎn)品有門(mén)窗、格柵型材、梯子、電纜橋架等，產(chǎn)品已出口歐洲、美國(guó)等地區(qū)，成套技術(shù)與設(shè)備已出口澳大利亞、南非等地區(qū)。
管、罐制品為基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的典型代表，中國(guó)已經(jīng)具備玻璃鋼FW工藝管、夾砂管、高壓管的全套生產(chǎn)技術(shù)，玻璃鋼頂管制造關(guān)鍵技術(shù)與施工技術(shù)滿足了城市改造的需要。
其他應(yīng)用領(lǐng)域
登上月球的宇航員們，他們身上背著的微型氧氣瓶，也是用玻璃鋼制成的。玻璃鋼加工容易，不銹不爛，不需油漆。
發(fā)展趨勢(shì)
節(jié)能減排和海洋開(kāi)發(fā)工作對(duì)眾多工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能、產(chǎn)品輕量化提出更高要求；災(zāi)害頻發(fā)、緊急情況頻現(xiàn)對(duì)應(yīng)急工程結(jié)構(gòu)提出更快、更強(qiáng)的要求。這些性能改進(jìn)以及需求增加，將推動(dòng)玻璃鋼在防控防爆、防腐結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)、大跨、高層、懸索結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、建筑外墻、保溫裝飾、海洋工程、水利工程和交通工程中的應(yīng)用。
2023年6月28日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)漁政管理局發(fā)布的《2022全國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，中國(guó)有漁船51.1萬(wàn)艘，玻璃鋼漁船占比2%，玻璃鋼漁船體量較小，還未面臨報(bào)廢和拆解的環(huán)保挑戰(zhàn)，但隨著中國(guó)玻璃鋼漁船大型化與數(shù)量增長(zhǎng)，將帶來(lái)環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問(wèn)題。玻璃鋼報(bào)廢漁船的不正當(dāng)處置所帶來(lái)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，也許會(huì)成為影響玻璃鋼漁船推廣應(yīng)用的一大硬傷。廢舊玻璃鋼的回收是一個(gè)跨領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，需推行全生命周期管理，加大政府政策支持，緊密聯(lián)系纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈上、下游企業(yè)和科研初構(gòu)，加大研發(fā)復(fù)合廢料高值化回收技術(shù)的力度，實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)纖維復(fù)合材料報(bào)廢產(chǎn)品、服役期滿產(chǎn)品、邊角廢料等的高值化回收利用及產(chǎn)業(yè)化推廠。
適應(yīng)量產(chǎn)、快速成型、環(huán)保要求的熱塑性復(fù)合材料不斷發(fā)展，使用玻璃鋼等相關(guān)材料替代傳統(tǒng)鋼鐵材料以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，在汽車(chē)應(yīng)用上的不斷加大。
全球趨勢(shì)下，原輔材料朝著高性能化方向發(fā)展已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和要求，將推動(dòng)中國(guó)玻璃鋼行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、裝備升級(jí),不斷開(kāi)發(fā)出高性能復(fù)合材料產(chǎn)品，帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。
參考資料 >
舟山船舶工程研究中心玻璃鋼游艇設(shè)計(jì)項(xiàng)目順利通過(guò)中國(guó)船級(jí)社測(cè)試.m.toutiao.com.2022-05-30