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。
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 16 Tue 2007 14:10
玻璃纖維
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