玻璃纖維之研製與應用〔國立台灣科技大學 吳文演教授〕
前言
追溯玻璃纖維的歷史,已知超過3000年以上。自古代埃及遺跡裏發現將玻璃延伸細化之玻纖作為工藝品開始,古代人類已將玻璃溶解,並延伸成纖維狀。當時,其用途侷限於工藝品,而工業化產業用途則是近數十年(不到百年)的事。第一次世界大戰時,德國首先將玻璃短纖維代替石綿作為斷熱材,開啟了玻璃纖維工業化的時代。爾後,進入1930年代,則有美國Owens Illinois Glass公司與日本日東紡績公司開始生產玻璃長纖維。至第二次世界大戰時,美國軍事研究單位發明了將玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂組合成FRP(Fiber Reinforced Plastics)複合材。因此,複合材料時代之來臨與玻璃纖維工業之啟蒙發展有密切之關係。當然,其他多種材料如同玻璃纖維亦因戰爭之際會,在非預期狀況下應醞而生。
玻纖之種類與組成特性
2.1 玻纖之分類玻纖依其製造方法、製品形態與主要用途大致可分為玻璃長纖維,玻璃短纖維與光學纖維三種,如表1所示。長纖維利用熔融紡絲法,主要使用在塑膠強化材與水泥強化材上;短纖維則利用火焰法與離心法製造,主要使用在斷熱保溫材、吸音材與過濾網上;光纖維則利用棒狀延伸法製造成長絲,使用在光傳輸纖維上。玻璃長纖維之直徑約在數μm至20餘μm,必須保有優良之纖維強度與特殊之表面處理性,主要使用於FRP與Cement之強化材;短纖維之直徑大部份在數μm以下,呈棉狀形態,主要使用於斷熱、吸音材,與建築、設備用之材料,分別為玻璃長纖維與短纖維之電子顯微鏡的外觀。另外,光學纖維則是利用如CVD等高純度之方法製作玻璃棒母材,再將之延伸成直徑百餘μm之光纖長絲,並有光學傳輸特性。由於光纖另外獨立分野說明,故本文不予贅述。
2.2 玻纖之組成特性目前日本市販代表之玻纖組成,如表2所示,E玻璃乃原是為電氣絕緣用而開發之產品,由於其組成幾乎不含一價之鹼性離子,故稱之為無鹼玻璃。E玻纖具有優良之表面加工特性,可用於塑膠強化材,且占了玻璃長纖維產量之90%以上,似乎是玻璃纖維之代名詞。S玻璃較E玻璃之引張強度與彈性率高約20%,使用在軍事用途與休閒用途之強化材為主,一般稱之為高強力玻纖。AR玻璃之組成中含有大量的Zr2O,保有耐鹼的特性,可使用在水泥強化材,稱之為耐鹼玻纖。D玻璃屬低誘電率玻纖,其組成含B2O3較多,可適用於超級電腦、高速運算之印刷電路版或整流罩(Radome) 。C玻璃含CaO較多,屬於耐酸玻纖,適用於電池分離片。A玻璃與無鹼玻璃不同之處乃係含有一價之鹼離子,主要用於玻璃短纖維複合材料用。另,歐美或台灣廠商亦有研製新組合成份,以應需求。
2.3 玻纖之產品與需求特性玻纖之產品依需求而異,其形態有玻璃紗(Glass Yarn) ,玻璃布(Glass Cloth) ,紗束(Roving) ,編紗束(Woven Roving),切股(Chopped Strand),切股氈(Chopped Strand Mat),表面蓆(Fiberglass Tissue),連續氈(Continuous Strand Mat)或磨碎纖維(Milled Fiber)等。依應用不同有前述之無鹼玻璃、耐酸/鹼玻璃、低誘電率玻璃與高強力玻璃,其主要用途為玻纖強化塑膠(FRP)與印刷電路版PCB(Printed Circuit Board)。FRP由強化纖維、基材(Matrix)與界面(Interface)特性所組成,其中強化纖維若是玻璃纖維時,則必須考慮玻璃纖維之物化性與特殊需求特性,並包含其纖維直徑、長度、用量、方向性與表面改質處理,裨以提昇複合材之強度、剛性、抗疲勞、抗潛變與使用壽命,可承受主要負荷,並限制微裂紋延伸與加強可靠度。若選用玻璃纖維為電子級用印刷電路版(PCB)強化材料時,則須慎選其熱傳導性,抗張強度,尺寸安定性,防火性,介電強度,耐腐蝕性,低吸水性,與低成本等因素特性。
玻璃纖維之製造
3.1 玻璃長纖維玻璃長纖維之製造有玻璃之熔解,紡絲與加工等三個工程。
3.1.1 玻璃之熔解工程玻璃之熔解有1段式直接熔解法(Direct Melt, DM法)與2段式玻璃球熔解法(Marble Melt, MM法)兩種。前者仍係自原料開始直接將玻璃熔解後紡絲的方法;後者則係先將原料熔解後作成玻璃球,然後於紡絲時再將之熔解紡絲。玻纖工業發展初期以MM法為主,目前基於省能源,大量生產之優勢下,則以DM法為主流。然而,若是在易於生產調整之利基下,製作數μm直徑之極細玻纖或新組成產品產量少時,則仍採用MM法為主。玻璃之主原料為粘土、矽砂、石灰石、灰硼石與鋯石(Zircon)等天然礦物所組成。製作時,先將前述原料依設定組成調合之,經攪拌器混合均勻,於耐火磚之熔解窯中,利用重油燃燒,或電熱器加熱1500℃以上之高溫熔解之。由於玻纖之直徑紡絲延伸至數μm,故不能存在有泡沫、異物與未溶解物,且須均勻一致。因此,天然原料之不純物、粒度的管理與熔解條件,為生產玻纖之重要Know How。
3.1.2 紡絲工程將熔解之玻璃經過bushing白金板上200~4000個直徑1~2㎜之紡嘴延伸紡出成纖維。Bushing由電氣加熱控制,如E玻璃之粘度須為1000poise時,溫度保持在1200℃左右。玻璃會依溫度差異而使其粘度有所變化,故連續紡絲時bushing之溫度必須控制在±0.2℃,裨以減少玻纖直徑之變異太大。由紡嘴紡出急冷成連續玻璃長絲,以1000~5000m/分的速度捲繞於捲取機上。Bushing紡出之長絲,利用Roller法將表面處理劑塗敷在纖維表面,並將50~4000根長絲集束成絲束Strand) ,再藉往復器以綾形網格方式繞取之。捲繞機上紙管繞取玻纖後呈現餅狀,故稱之為絲餅(Cake) 。絲餅須含表面處理劑,含水份通常在10%左右。亦是玻纖直紡之簡單工程圖示與紡絲工程條件。
3.1.3 加工工程將絲餅加工成各種玻纖製品,諸如將絲束加撚成紗,將紗整經成經軸,將絲束切斷為1.5~100㎜長之切股(Chopped Strand),將切斷50㎜長之絲束,均一分散,藉聚酯樹脂二次黏著成切股氈(Chopped Strand Mat),將絲束若干根牽引齊合成紗束(Roving),將絲束(Strand)、紗(Yarn)或紗束(Roving)整漿織造成玻纖布。
3.2 玻璃短纖維玻璃短纖維之製造如同長纖維,亦有三個工程為玻璃之熔解,纖維化與加工等製程,如圖5所示。玻璃之熔解工程基本上與長纖維者相同,然其製造之特徵為纖維化工程,代表纖維化法有離心法與火焰法兩種。離心法乃是將熔融之玻璃流入高速回轉的紡紗器內,紡紗器側壁之細孔因離心力吹甩而纖維化的方法。火焰法則係與玻璃長纖維一樣,先將熔融之玻璃自bushing紡出,並延伸其連續長纖維後,藉高速燃燒之瓦斯予以吹飛延伸而使纖維微細化的方法稱之。纖維化後復予以黏著處理,即利用苯酚(phenol)等熱硬化樹脂噴灑塗敷,集棉於輸送帶上,並使之硬化,再予切斷加工,作成各種產品。此類製品稱之為玻璃羊毛(Glass Wool),可使用於保溫材、斷熱材等各種形態之產品,其產品種類與用途將於後面章節說明。
3.3 玻璃長纖維之表面處理玻璃纖維基於下列三個理由必須作表面處理,首先玻璃纖維之表面存在微細之損傷,易造成強度下降,故於製造時或下游廠商使用前,必須作表面加工處理,以避免磨耗損傷;複合材料使用前,玻璃纖維宜適於成形之作業性,如切割性、集束性與含浸性等加工;與複合材料中玻纖與基體樹脂(Matrix Resin)適度之接著性。為實際工業上表面處理劑之配方,其中習知者為偶合劑,偶合劑則是玻璃表面被覆OH基,有與有機物結合之親和性。然而,實際生產時,除偶合劑外,仍有結束劑與其他物微量成份,因而表面處理劑決定了玻纖之重要特性,亦是各廠商之Know How所在。
3.4 玻璃長纖維製品之種類,為典型玻璃長纖維之製品種類,其等級依纖維長度、直徑、集束根數與表面處理劑之不同而異。除泛用等級外,依客戶與廠商間決定特殊之等級亦不在少數。使用玻璃纖維加工時,多與廠商技術負責人商討並了解其特性,是聰明的作法。
3.4.1 玻纖紗布之規格玻纖細度(TEX)直徑/(μm)或根數之關係,雖可由一般公式求得,但量產時仍有微差,為便利起見亦有如表8所示,可依纖維規格代號查出所之細度/根數/直徑等資料。若玻纖非一般工業用而是較高電子級用時,其要求之物化性亦不同,如表9所示,如含水率、含氧指數(LOI)、撚度與破絲根數等。玻纖布亦有一定之規格限定,如經緯紗、密度、重量、厚度、寬度、布面處理(偶合劑)與燒失量等,如表10與表11所示。然其部份資料仍有微差,是否在可忍受(Tolerance)範圍內,則須與客戶作協商之。
玻纖之物化性
玻璃纖維除保有玻璃本來之特性,諸如熱安定性,優良之電氣絕緣性,化學安定性與對人體、環境無不良影響性,並使之纖維化而得到高強力之物性。玻纖與他種高強力纖維之強力比較,其引張強度、伸度與彈性率較為均衡,十分適於複合材料之強化材,惟比重較高爾。玻纖之引張強度則受所謂之Griffith Crack(玻纖表面微小裂隙傷痕)的有無所左右。紡絲後理想狀態下之強度約為4GPa,實際玻纖之強度依測定條件與纖維狀態而異,其強度約在1~4GPa。然而,計算複合材料之理論強度時(不論纖維直徑),玻璃長絲之引張強度假定為2GPa時,其實驗值與理論值則相符一致。除強度外之代表物化性,如屈折率、熱膨脹係數、誘電率、體積壓縮率、硬度、耐酸鹼等物化性,視最終用途而異。
玻纖之應用
玻璃長纖維之用途大部份使用在工程塑膠與水泥之強化材,尤其是FRP為搭配基體樹脂之種類不同,而有各種玻纖、含量與成形方法等特性需求;另外,則有自生活用品之電氣、電子配件至汽車、船舶與建築土木等各種範疇應用。基體樹脂中使用不飽和聚酯樹脂較多,例如FRP即多數使用之。熱硬化樹脂與其他如乙烯基酯(Vinyl Ester)、epoxy與壓克力系等樹脂,亦有使用。若基體樹脂為熱可塑性樹脂時,吾人稱之為FRTP(Fiber Glass Reinforced Thermoplastics)以區別之。基體樹脂大致為Nylon、PET、PBT、PP、ABS與PPS等等。複合材料之成形則有手工鋪疊、真空袋/高壓釜、匹配模成形、繞絲成形(FW)與SMC板成形等超過15種以上之成形法。印刷電路版,先將玻纖布含浸環氧樹脂形成預浸體(Prepreg),再重疊8層加壓成基板。並且,亦有使用玻纖紙(Glass Paper)代表玻纖布(Glass Cloth)作基板者,如遊戲機。最近,誘電率較低之D玻纖亦有代替E玻纖之勢,可提昇信號傳達速度,如超級電腦(Super Computer)與移動通體信之印刷電路版的使用。為連接器(Connector) ,即將切斷長3㎜之切股(Chopped Strand)玻纖與PBT等熱可塑性樹脂混練,藉射出成形為製品。最近,受到矚目之FRTP應用例,如汽車配件、電氣與電子零件,亦是利用此法製造的。汽車進口外板與後擾流板(Rear Spoiler),乃係利用紗束(Roving)藉SMC板成形後,再壓縮成製品,此類設計皆是一體成形。並且,SMC壓縮成形最多之用途為浴缸(Bath Tub)等盛水器皿。遊艇則是將紗束布(Roving Cloth)與切股氈(Chopped Strand Mat)藉不飽和聚酯樹脂結合,利用人工堆疊法(Hand Lay-up)成形為製品,可謂係15~20年前玻纖最大之用途。至今,FRP仍不斷在進步中,船舶上使用量與市場仍大。如圖11所示為玻纖外牆之大建築物,其外牆係AR玻璃纖維混入水泥之強化壁板。因為有玻纖強化,其外牆壁板之厚度僅約一般之1/3,故伴隨建築物高層化,建築資材要求輕量化之同時,輕量外壁材之市場,勢將快速成長。
未來之展望
玻纖在組成、形態、製造方法與環保上,須作進一步之研發,裨以順應市場需求與保護地球環境。
組成方面,如日本電氣硝子公司開發之高誘電率、低誘電正切特性的H玻纖,為小型化移動體通信機必備之特性玻纖,在資訊化時代之來臨,有其發展空間。
形態方面,玻纖之斷面圓形改良為繭型,日東紡績公司開發之異形斷面纖維,可賦予複合材料之新特性。 製造方面,則不須高溫紡絲,如旭硝子公司利用溶凝膠(Solgel)法紡玻纖,即將有機矽化合物加入水與觸媒形成高粘性溶液,然後紡絲並加熱而得到玻纖之方法。另外,亦利用熔融紡絲法,製造困難之石英纖維,且上市中。
環保方面,雖玻纖似可完全循環再利用,但複合材料則無法完全回收利用,故目前正研究低溫分解或粉碎後分解/再利用的課題,祈望能研發出綠色環保之新玻璃纖維。
- Oct 04 Thu 2007 14:46
玻璃纖維之研製與應用
close
全站熱搜
留言列表