1.1　玻璃纖維與GFRP筋原材料選擇

1.1.1　玻璃纖維成分

目前，中國玻璃纖維的生產(chǎn)量和消費(fèi)量占據(jù)世界第一，有很多品種供選擇，正確理解這些玻璃纖維的特性，對(duì)GFRP筋生產(chǎn)至關(guān)重要。

玻璃纖維的性能隨玻璃成分的變化而變化，見表1-1。

主要玻璃纖維成分有5種，即無堿E玻璃纖維、中堿C玻璃纖維、高堿A玻璃纖維、耐堿AR玻璃纖維和高強(qiáng)度S玻璃纖維，有代表性的成分見表1-1，事實(shí)上這些成分在一定程度上可以變化，從而形成各公司的產(chǎn)品，并受到相關(guān)專利的保護(hù)；此外，還包括高模量M玻璃纖維，其模量高于S玻璃纖維，但目前多為實(shí)驗(yàn)室小批量生產(chǎn)，價(jià)格較高；低介電性能D玻璃纖維，其力學(xué)性能遠(yuǎn)低于E玻璃纖維，但密度和介電常數(shù)都比較低，適合于雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)；多種玻璃纖維的斷裂延伸率在3%～4%之間，當(dāng)溫度超過300℃時(shí)，力學(xué)性能指標(biāo)就可能有較大幅度下降。

就GFRP筋而言，受到關(guān)注和得到應(yīng)用的是無堿E玻璃纖維，中堿C玻璃纖維和高堿A玻璃纖維只是用于臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)中的筋材、錨桿等，主要作用是盡量降低生產(chǎn)成本（高堿A玻璃纖維價(jià)格是E玻璃纖維的一半以下）并維持一定的力學(xué)性能，從而滿足使用需要。隨著時(shí)間的延長和環(huán)境溫度、濕度的變化，由于這些玻璃纖維中較高含量的堿金屬吸收空氣中的水分而自身力學(xué)性能的下降，采用中堿C玻璃纖維和高堿A玻璃纖維制備的筋材、錨桿等，力學(xué)性能衰減較快。而由E玻璃纖維制造的GFRP筋材，力學(xué)性能的長期穩(wěn)定性較好，只是在堿溶液條件下，E玻璃纖維仍然面臨堿腐蝕問題。耐堿AR玻璃纖維是專用于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的，高的氧化鋯成分保證了其在混凝土的強(qiáng)堿性環(huán)境下，仍然能夠保持較高的剩余強(qiáng)度，但此玻璃纖維的強(qiáng)度低于E玻璃纖維，且纖維表面沒有偶聯(lián)劑成分，導(dǎo)致其與樹脂的結(jié)合能力較低。另外，高的堿金屬含量導(dǎo)致其容易吸收水分而力學(xué)性能下降，此玻璃纖維價(jià)格是E玻璃纖維的3倍左右，從多方面考慮，雖然此玻璃纖維特有的抗堿腐蝕能力突出，但目前不用于制造GFRP筋。

高強(qiáng)度S玻璃纖維和高模量M玻璃纖維，這兩類玻璃纖維的價(jià)格是E玻璃纖維2倍以上，可使GFRP筋的強(qiáng)度和模量相應(yīng)提高，但就原材料成本的提高與最終產(chǎn)品力學(xué)性能的提高而言，基于應(yīng)用目標(biāo)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性并沒有優(yōu)勢，因而不是GFRP筋的首選材料；在要求強(qiáng)度、模量更高的GFRP錨索中可采用此玻璃纖維，以與CFRP、AFRP錨索形成競爭，并可能具有一定的性價(jià)比優(yōu)勢，此方面應(yīng)用屬于預(yù)應(yīng)力范疇，要求復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量需要達(dá)到一定的值，以滿足應(yīng)用要求。在本章1.4節(jié)部分，通過實(shí)驗(yàn)說明無堿、中堿、高堿玻璃纖維對(duì)GFRP筋性能的影響。

1.1.2　玻璃纖維生產(chǎn)工藝

玻璃纖維是由特定礦物原料組成的配合料，其成分見表1-1，配合料經(jīng)窯頭料倉、螺旋投料機(jī)送入單元熔窯，在玻璃熔窯中，經(jīng)1600℃左右的高溫熔化成液體，并經(jīng)過長時(shí)間的澄清、均化而得到高度均勻的玻璃液，然后經(jīng)鉑銠合金漏板上的漏孔流出，經(jīng)高速拉伸成直徑為3～24μm的細(xì)纖維，此方法稱為池窯拉絲法，此外，還有坩堝拉絲法，即先由玻璃熔窯將配合好的粉料熔制成高度均勻的玻璃球（?16～20mm），然后以玻璃球?yàn)樵霞尤脬K銠合金制成的坩堝爐，或加入由優(yōu)質(zhì)耐火材料砌筑的、底部有鉑銠合金漏板的小型電爐中。漏板由電阻發(fā)熱，溫度維持在1200℃左右，通過漏板后的拉絲工藝與池窯拉絲工藝相同。

由漏板出來的玻璃纖維迅速經(jīng)過浸潤輥和集束器，兩次被覆以特定的浸潤劑，然后經(jīng)排紗輪卷繞到拉絲機(jī)的繞絲筒上，即稱為原絲。在漏孔數(shù)較少（200孔以下）時(shí)可免除浸潤輥，而由集束器一次被覆浸潤劑。對(duì)于漏孔數(shù)在2000孔以上大漏板拉絲工藝，原絲直接卷繞為無捻粗紗紗團(tuán)，經(jīng)烘干后稱為直接無捻粗紗，用于纏繞、拉擠用紗。

而漏孔數(shù)在800孔以下的拉制的玻璃纖維原絲卷繞在拉絲機(jī)機(jī)頭上，從機(jī)頭卸下的半成品稱為原絲絲餅，烘干后，經(jīng)退解合股、短切或在氈機(jī)組上制氈后，方能制成各種玻璃纖維制品。一般原絲絲餅所含水分為其總質(zhì)量的8%～10%，采用專用的烘干設(shè)備給予人工干燥，使水分含量在0.1%左右，在此過程中，浸潤劑中的黏結(jié)劑經(jīng)加熱熔融轉(zhuǎn)為聚合、交聯(lián)、成膜，使原絲性能得到改善。

就GFRP筋而言，有直接無捻粗紗和合股紗兩類連續(xù)玻璃纖維紗供選擇，直接無捻粗紗和合股紗的力學(xué)性能與表1-1相比有不同程度的下降，主要是纖維之間難以同時(shí)受力的緣故，其中直接無捻粗紗中各纖維的張緊程度基本相同，因而各纖維可以基本同時(shí)受力，應(yīng)盡量選擇。直接無捻粗紗中玻璃纖維直徑通常在20μm以上，而單絲強(qiáng)度隨直徑的增加而減少；合股紗中玻璃纖維直徑低于20μm，因而單絲強(qiáng)度更高，只是合股后，紗中玻璃纖維張緊程度差異性的原因，使得各纖維難以同時(shí)受力，不僅制備出的GFRP筋力學(xué)性能相對(duì)較差，而且生產(chǎn)穩(wěn)定性降低，只是合股紗的價(jià)格相對(duì)較低。當(dāng)GFRP筋作為錨桿使用時(shí)，往往需要配套的GFRP托盤和GFRP螺母，此時(shí)需要采用其他類型的玻璃纖維制品為原材料。

在要求強(qiáng)度、模量更高的GFRP錨索中，可以采用單絲直徑更小且數(shù)量更少的玻璃纖維原絲束為原材料（不再經(jīng)過合股），由于GFRP錨索是由眾多小直徑的錨索組成，因而以小線密度的玻璃纖維束為原材料更合適。

1.1.3　玻璃纖維浸潤劑

玻璃纖維雖然具有很高的強(qiáng)度和模量，但其性脆，不耐磨，摩擦后易帶靜電，而且表面光滑，不易與樹脂黏結(jié)。因此，需要對(duì)玻璃纖維的表面進(jìn)行被覆處理，被覆處理有兩個(gè)目的：滿足由玻璃纖維制備出的各種最終材料的加工要求，滿足玻璃纖維與各種樹脂良好的黏結(jié)性。在玻璃纖維生產(chǎn)過程中，需要玻璃纖維在浸潤劑中浸潤，使其表面被覆浸潤劑，然后干燥后。浸潤劑永久覆蓋在玻璃纖維表面，其含量雖然只有玻璃纖維質(zhì)量的0.5%～2.0%，但影響其性能。

浸潤劑一般包含以下組分：偶聯(lián)劑、成膜劑、潤滑劑、防靜電劑、乳化劑等，這些組分在水中分散。以乳液狀態(tài)穩(wěn)定存在，以滿足玻璃纖維通過時(shí)，浸潤劑各種成分均勻分散。浸潤劑是玻璃纖維生產(chǎn)中的“秘密武器”，通常作為技術(shù)核心而嚴(yán)格保密。下面說明浸潤劑組分與GFRP筋性能的關(guān)系。

采用增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂作為基體樹脂，采用連續(xù)玻璃纖維紗作為GFRP筋用增強(qiáng)材料，此玻璃纖維表面含有偶聯(lián)劑KH-570，這種偶聯(lián)劑中含有不飽和雙鍵，可以與不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化。與此對(duì)應(yīng)的成膜劑則有聚酯乳液、環(huán)氧乳液、聚乙酸乙酯乳液及聚氨酯乳液，各種乳液含有幾個(gè)品種，以適應(yīng)不同的需要。與此對(duì)應(yīng)的潤滑劑、防靜電劑、乳化劑有各自的應(yīng)用范圍，其目的主要是適應(yīng)連續(xù)玻璃纖維生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

市場上有針對(duì)環(huán)氧樹脂的連續(xù)玻璃纖維拉擠用紗產(chǎn)品，其特征是浸潤劑中成膜劑以環(huán)氧乳液為主，偶聯(lián)劑和其他助劑相應(yīng)調(diào)整；在要求強(qiáng)度、模量更高的GFRP錨索中，可以采用此類玻璃纖維原絲束，以增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。

熱塑性GFRP筋通常是指連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯筋，此類筋最大的特點(diǎn)是能夠現(xiàn)場加熱彎曲，適應(yīng)現(xiàn)場二次加工要求，以滿足混凝土結(jié)構(gòu)。在制備熱塑性GFRP筋時(shí)，不能選擇增強(qiáng)熱固性樹脂的連續(xù)玻璃纖維拉擠紗，這是因?yàn)榇祟惒ＡЮw維表面的浸潤劑與聚丙烯不相容，聚丙烯熔體難以浸潤此連續(xù)玻璃纖維，導(dǎo)致玻璃纖維團(tuán)聚嚴(yán)重，玻璃纖維增強(qiáng)效果很差；而應(yīng)該選擇專用于增強(qiáng)聚丙烯的連續(xù)玻璃纖維紗，此玻璃纖維表面含有聚丙烯成膜劑和對(duì)應(yīng)的偶聯(lián)劑KH-550，但由于聚丙烯成膜劑分子量較低且結(jié)晶性能較弱，影響到玻璃纖維的增強(qiáng)效果。