国内不饱和聚酯树脂基(UPR)玻璃钢用玻璃纤维市场分析
1 前言
2000年以来，我国不饱和聚酯树脂(UPR)年产量保持持续增长的发展，03-07年五年间，平均增长率达到17.8%，2007年产量达到了135万吨。UPR除了用作工艺品、人造石、涂料(包括地坪)、纽扣以外，60%以上是用作制造玻璃钢产品。2007年，玻璃钢用UPR达到75万吨，增强玻璃纤维用量达到90万吨，UPR基FRP总量达到170多万吨(表1、表2)。
2 我国UPR基FRP产品主要应用领域和成型工艺
近十年来，我国FRP的发展已进入一个全新的时期，应用门类广泛，品种繁多，体现了轻质高强多功能材料FRP在市场竞争中的优势。(附表3)
3 影响增强用玻璃纤维强度的各种可控因素[-page-]
FRP以玻纤为增强材料，其强度主要取决于玻璃纤维；而玻璃纤维的强度又与玻璃纤维的成分、密度、成型温度、纤维直径、表面处理和编织形式有着密切的关系。
(1)玻璃纤维因其碱金属氧化物(R2O)含量不一及其成分的差异性，表现出的性能各异。
因此，不同成分的玻纤，取向于增强不同条件要求下的FRP制品。E玻纤的R2O＜0.5%-2％，用以制作电绝缘制品和高强度FRP制品；E玻纤的折射率与UPR接近，可以制造透光率高的FRP制品；C玻纤因其R2O在12%左右，可用于耐酸或防腐FRP制品(中等浓度酸)；ECR为高耐腐蚀玻纤，可用于耐酸、耐碱FRP制品；S玻纤可用于高强高弹FRP制品。从表中看到，A玻纤不能用作FRP材料，主要是其R2O含量高，其失重比例和析碱量高，从而限止了A玻纤作为增强材料在FRP中应用。
(2)玻璃纤维的强度与纤维直径有密切关系，新生态玻纤显示，直径愈小，强度愈大；但从国内外企业大量的试验证明，玻璃钢的强度不随所用纤维直径的加粗而显著降低。70年代以来玻璃钢用玻璃纤维的直径已经从(9-10)μm逐渐增加到(13-14)μm、(15-17)μm、(19-24)μm，甚至更粗。纤维直径加粗以后，提高了玻璃纤维产量，减少了合股工序，有利树脂的浸透，技术经济效果很显著。
(3)玻璃纤维的强度与玻璃纤维表面处理剂有着密切关系，FRP的强度取决于应力从树脂传递到玻纤及界面吸收能量的能力，应力是在剪切方向传递的，所以要求玻纤与树脂之间必须有一个良好的粘结。玻璃纤维表面处理后，与UPR的复合已不是填料的概念填充到树脂中，而是一个经过设计的玻璃纤维复合到FRP材料中，硅烷偶联剂是增强型玻璃纤维浸润剂中重要的架桥剂，使FRP的强度得到整体的提高。(表7)
浸润剂中其它重要组分,粘结成膜剂对FRP制品起决定性影响,还有降低玻纤粘度及消除静电产生的润滑剂、抗静电剂等，组成一个完整的增强玻璃纤维的浸润系统。由于FRP成型工艺的多元化，又可分为软质型浸润剂和硬质型浸润剂。通过对浸润剂系统中各种粘结剂、偶联剂和其它化工助剂的优化组合,处理出满足缠绕、拉挤、SMC/BMC、短切喷射成型工艺等的各类玻璃纤维纱及制品。
(4)玻璃纤维的强度还与玻纤结构形成有着密切关系，不同玻纤结构形式增强的FRP，其力学性能不一样。
(5)玻璃纤维强度与成型温度有密切的关系。不同生产方法拉制的玻璃纤维，对纤维强度的影响较大，当拉制相同的纤维直径，温度从1200℃升高到1370℃，纤维强度可以提高约一倍。据有关资料透露，目前，国外先进的改进型E玻璃纤维及其织物大量进入我国风电行业，用作兆瓦级叶片增强材料(表9)。资料提示我们，国内企业是否可以对现有E玻璃配方进行微调及提高拉丝温度来研制出满足风电叶片用的高强高模量玻璃纤维呢？
国内风电业发展迅猛，每年新增容量达1500MW，配套的风叶片在4500支左右，按每支叶片6吨重，FRP总量达2.7万吨。叶片采用抽真空灌注工艺，其玻纤用量达70%，计2万吨，如包括大型叶片模具制造，玻纤总用量需要在2.5万吨左右。
(6)玻璃纤维作为增强材料与其密度有密切关系。玻璃纤维与钢相比其比强度和比强度弹性模量都有明显的优势，这为玻璃钢设计提供了理想的结构材料。
4 多元化FRP成型工艺对增强用玻纤的使用要求[-page-]
国内多元化FRP成型工艺对玻璃纤维的要求不一，具体到一个产品来讲，除了采用玻纤增强树脂后保证其足够的强度外，还要满足其工艺成型，这里简略各种FRP成型工艺用纱的要求。
①国内拉挤FRP产量在12万吨，其中玻璃纤维用量达到4万吨。无碱无捻粗纱是一种基本的拉挤用增强材料，为拉挤产品提供了优异的纵向强度。在生产时，它裹携着其它增强材料一同进入模腔，同时向大部分增强材料如连续毡、缝编织物等提供浸渍所需的树脂。
拉挤中常用的粗纱为4800TEX，好是单股纱，这一点对生产大型材尤为重要。连续毡为拉挤产品提供横向强度,它不能单独使用，在粗纱的帮助下才能被拉过加热的模具。国内通常使用的为美国OCF公司的连续原丝毡,还有南京天明公司连续毡和丹阳中亚公司的连续单丝毡等。
复合毡是玻璃纤维多层复合物，在拉挤工艺中，选择在0°度方向粗纱的基础上复合其他各可选方向粗纱及复合毡，就可以得到预期力学性能的制品。表面毡的使用可以提高制品的外观质量，还能提高拉挤速度并降低模具损耗。表面毡根据用途可以选玻纤毡，也可以是化纤表面毡。
②SMC是一种用树脂浸渍短切玻璃纤维、填料及增稠剂组合的一种预成型材料。SMC纱要有极好的集束性、及低的溶解性和适当的浸透性。纱线集束性好，溶解性低，在SMC片材生产中能被树脂垂直穿透；此外，浸润剂膜的硬度和强度高，提高SMC纱的硬挺性，硬挺度一般要大于160mm。在SMC片材压制中常常出现白丝，主要是浸润剂中成膜剂不可溶/可溶比例低，造成纱的集束性低。克服这种现象是提高成膜剂中不可溶/可溶的比例，要求一般在85/15。
在SMC片材生产中，有时根据制品的要求，在制作片材同时铺放单向纤维或无捻粗纱网格布,如榔头柄、水箱板等。
国内2007年SMC片材总量达6万吨，需用玻纤达1.5万吨。汽车零部件产量占SMC制品总量的三分之一。
③国内BMC产品主要为低压电气开关匣、灯罩及市政工程产品，其应用面广量大，产量达到18万吨左右，短切玻纤用量在5万吨左右。BMC用纱为电气级短切纤维，非受力制品用C短切纤维。要求破纤原始筒烘干后直接短切，原始经短切后保持良好集束性，不开纤、端面整齐、流动性好、抗静电。BMC用短切纱的纤维长度一般在3-12mm范围内。
④国内缠绕FRP产品主要是化工管道、贮罐及防腐工程、地埋电缆管、给排水夹砂管等，其产量在50万吨，玻璃纤维用量在25万吨左右。缠绕纱用软质纱，单纤维直径是(17-24)μm的直接纱，国内合股纱高达16μm。缠绕管道要求内表面光滑，在环向缠绕同时提高纵向强度，所以在管芯模具上喷射短切纤维或铺设表面毡和单向编织布。为提高缠绕纱的强度，特殊的缠绕纤维用纱采用环氧乳液或PU乳液。近年来，重庆国际开发的耐化学腐蚀的ECR玻璃纤维，其耐酸、耐碱、耐水、耐盐、耐温和耐气候性都比E玻璃强，尤其是耐酸性随环境温度的升高优势更明显，这为国内FRP防腐工程提供了性能优越的增强材料。
⑤国内风电业和FRP造船业的兴起，带动了玻璃钢成型工艺的改革和提升，传统的敞开式手糊成型工艺在向抽真空灌注成型工艺和低压力的RTM工艺(LRTM)发展，从而带动了无卷曲的强化的玻璃纤维工程织物的产生，这种工程织物包括无粘合剂、缝编短切连续原始毡、复合毡，单向、双轴、双偏、纵向三轴、横向三轴、四轴等编织布等，是纤维设计提出的结构性玻璃纤维增强材料。编织物将各平行的纤维层安置在各元件设计需求的负载方向上；同时短切毡，纤维带或其它材料也可加入各层平行纤维之间或其表面，各层的纤维精密编织之后就被固定于同一布匹。这种简单的技术带来了极大的益处，可以满足FRP结构设计佳性能的要求。国内航天材料及工艺所、维特克斯复合材料(常州)公司、常州良春集团、重庆国际、台湾重亿、常州天马公司等组织了这种工程材料的编织和供应。
5 把玻璃纤维作为增强材料设计到FRP结构中去
我国FRP复合材料诞生五十年来，真正把玻璃纤维作为结构材料设计到玻璃钢产品中，只是航天航空、军工行业和FRP复合材料研究设计的科研院所、大型企业才集中一批材料力学、高分子化工、机械电子的专业人员从事玻璃钢的结构设计、材料设计、工艺设计。整个复合材料(玻璃钢)设计,从认识材料到用好材料的理念理论、实践和经验，没有普及和走进广大中小玻璃钢企业中。
国内大多数民营企业缺乏技术平台，其设计理念仍然是以常规材料的等代设计观念来考虑，所以设计过剩是普遍存在的现象。迫于成本，一些企业在面临市场竞争，不是千方百计去优化设计，而是偷工减料，去桃换李，导致产品被市场淘汰。我们认为在FRP产业密集地区如山东德州地区、河北枣强地区、江苏武进地区和宜兴地区、河南沁阳地区等，应该有面向市场、面向企业、面向产品的FRP设计研究所，有一批热心于中小FRP企业的科技人员，去帮助这些企业在认识材料，用好材料；有条件的企业可以引进材料力学方面的青年技术人才加以培养。
今天来谈玻璃纤维在UPR应用，就是以FRP复合材料的观念来用好玻璃纤维。我国著名材料和结构专家朱颐龄教授早在八十年代就指出：“复合材料不仅是材料，更恰当地说是个结构。”以后，上海院张汝光教授在查询国外资料中得到巨大启发，在朱教授提出这个观点十年后，美国国会技术评价局的生产报告才有十分相似的话：“先进复合材料与其看作是材料，确实更应该看作是结构。”常规材料的使用是先有材料，后制造制品，而复合材料是材料和制品同时制造的。所以，围绕特定的FRP产品，我们在材料设计同时考虑结构设计，从结构中去选择材料，从材料设计中去满足结构，从而达到了优化设计。
当前我国各风电FRP企业开发的MW级风机叶片、地面天线罩就是材料和结构完美的设计和制造。作为结构材料主要是玻璃纤维，当然，UPR的匹配及工艺选择也非常重要。大型风机叶片，不仅是在追求材料的轻质高强，而是将玻纤材料编织成工程织物来满足叶片的力学性能，真正体现FRP材料的自身价值。
这几年，夹层结构开始引入国内FRP产品的设计中来，用夹芯结构替代单板结构，体现了FRP产品的轻质高强低成本。这里引用瑞典DIAB公司为澳大利亚某船艇厂设计的M380游艇的实践结果。
国内大力开发夹层材料应用于各类产品设计中，如常州天马集团公司、浙江联洋公司开发的复合毡已大量用于国内机仓罩、导流罩和船艇；东华大学纺织学院、天津大学纺织学院、北京玻钢院、南京玻纤院等大力开发立体结构玻纤编织物应用于航天航空FRP器材等，体现了我们在剖析模拟软件中去完善材料，完善结构，求得真蒂，推动玻璃钢行业步入认识材料，设计材料，用好材料的规律中去，体现FRP产品成本降低、性能先进。这一认识和设计的跨越，可以出现三赢的前景，拉动国内高性能玻璃纤维的全面开发；拉动性能各异的FRP产品在深入应用中探索市场、开辟市场；为企业走创新发展的路子打下强有力的技术根底和市场基础。作为我们从事几十年FRP材料的企业和科技人员要提倡科学思维，拼弃粗放结构，使我国FRP复合材料做精、做特，赶上发展水平。
