透光复合材料

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1、透光复合材料蒙晓霞，1100501227中国计量学院材料学院 11 材料2 班，杭州 310018摘 要 透光复合材料是一种新型采光材料，它具有强度高、韧性好、比重小、不易碎、易成型等优点， 在工农业与民用建筑等领域中得到日益广泛的应用，本文将从透光复合材料的优缺点及其分类、结构、原 材料及其制备工艺和应用发展等方面展开做简要的相关介绍。关键词 透光，玻璃钢，透明树脂，玻璃纤维，手糊成型，防老化随着现代科技的迅速发展,多年来沿用的采光材料玻璃，已不能满足现代工农业技术发展的要求。 因此,探求新的采光材料,越来越引起人们的重视。透光复合材料是一种新型的复合材料类采光材料，发展 至今已有 60 多

2、年的历史，主要研究方向为：提高机械化生产水平；提高耐老化性能，延长使用寿命；开 发新产品，扩大使用范围。美国1949 年首先研究出不饱和聚酯透明玻璃钢，20 世纪 60年代初期，透明玻 璃钢才在建筑工程中得到推广应用，我国研究透明玻璃钢始于1965 年，1975年武汉理工大学研究成功透 光率达 89的高透明玻璃钢，从而扩大了透明玻璃钢的使用范围。如今，我国在透光玻璃钢防老化、工艺 设备及应用技术等方面均取得了很大的进展。1 透光复合材料的特点透光复合材料是的一种以玻璃纤维或金属细丝增强合成树脂而复合制成的新型透光材料，俗称透明玻 璃钢，又称为透明增强塑料或透明复合材料。其技术性能在很多方面都优

3、于普通玻璃。1.1 透明玻璃钢的技术优越性1）透明玻璃钢的抗冲击性能优越。不怕冰雹和碰撞，不像玻璃那样容易自爆，因此也比玻璃安全，可以 用在玻璃不能胜任的地方，省去了采光窗口上下的防护网，提高采光系数。2）透光率高。透明玻璃钢的透光率可达85%90%，接近于玻璃，但它有足够的强度和刚度，兼有采光 和结构材料的特点，是一种既能透光又能承受荷载的多功能材料，可以减少采光工程的结构材料如窗框窗 扇，从而降低造价，提高采光系数。3）轻质高强。透明玻璃钢的相对密度（1519）小于玻璃，约为玻璃的 60%76%，其拉伸强度、弯 曲强度比玻璃高 18 倍。因此，使用透明玻璃钢能大大降低采光制品的自重，增大产

4、品尺寸，提高采光 工程的安装效率等。4）透光均匀。属非均质透光材料，光线透过时能产生散射作用。因此，用透明玻璃钢采光的建筑工程， 室内光照均匀、无光斑、不眩目。5）热导率小。隔热性强。6）成型工艺简单。一次能够生产出造型复杂、尺寸任意的采光制品。7）施工运输方便。制品质量小，抗冲击韧性大，施工运输过程损坏率低，可降低工程造价。8）设计自由度大。透明玻璃钢最大的优点就是可按设计要求任意配色，使产品色泽鲜艳、美观，适用于 各类装饰工程。1.2 透明玻璃钢的缺点1）耐久性差。一般未经防护处理的透明玻璃钢，使用34年后强度和透光率便会降低。但是如果采用防 老化措施（如用聚氟乙烯薄膜保护），其使用寿命可

5、达20年以上。2）透明度低。透明玻璃钢的透明度最高达80%，比玻璃（99%）低很多。2 透光复合材料的分类1）透光复合材料按其所用的树脂基体不同：一是不饱和聚醋树脂透光复合材料。二是丙烯酸类树脂 透光复合材料。三是透明聚氯乙烯、聚碳酸醋塑料透光复合材料。2）按使用的增强材料和形态分为玻璃纤维布或玻璃纤维毡增强的透光复合材料和金属纤维网增强塑 料透光复合材料。3）按使用的增强材料的种类：一是无碱玻璃纤维透光复合材料，国内外大部分透光复合材料制品都 是使用这种材料。二是中碱玻璃纤维透过复合材料，其价格便宜，可用在要求一般的采光工程中。4）按透光复合材料在平面内承受的各向力学性能：一种各向同性透光复

6、合材料（主要是指用玻璃纤 维毡增强）。二是各向异性透光复合材料（主要是指用玻璃纤维布或金属网增强的复合材料）这类透明玻 璃钢的强度较高。透光复合材料的品种很多，性能与有所区别，各种透光材料性能比较如下表所示：材料种类透光率/%使用年限/年单面贴有聚氟乙烯薄膜的聚酯复合材料8620透光不饱和聚酯复合材料复合材料8858高性能透光不饱和聚酯复合材料88 90710难燃（自燃）型透光聚酯复合材料886丙烯酸类树脂透光复合材料90710玻璃纤维网增强软PVT薄膜903钢丝网增强有机玻璃复合材料90 9215玻璃85 9015钢丝网增强聚氯乙烯、聚碳酸酯复合材料905103 透光复合材料的结构和制品透明

7、玻璃钢的结构有夹层结构和板结构，其中夹层结构发展较快且应用广泛。玻璃钢夹层结构是指蒙 皮玻璃钢、芯材玻璃布蜂窝或泡沫塑料所组成的结构材料。玻璃钢夹层结构按其所用的夹芯材料的类别通 常可分为三种:泡沫夹层结构、玻板夹层结构和蜂窝夹层结构。透明玻璃钢采光制品大致分为以下三种：1）透光平板或波形板。产量最大，规格最多，用途也最广。2）壳体形式采光罩。整体性能和密封性能优良，主要用于建筑屋顶采光。3）夹芯结构式采光板。夹层结构透明玻璃钢采光板的导热系数小，能够起到双层窗的功能，既采光又保 温，可以用于寒冷地区的屋顶和墙面采光。4 透光复合材料的原材料生产透明玻璃钢的原材料主要是玻璃纤维和透明树脂。玻璃

8、纤维在透明玻璃钢中起增强作用，是受力 组分，分无碱和中碱两种。常用的纤维制品有无捻粗纱、短切纤维毡和无捻粗纱布等。一般选用单丝直径 比较粗的玻璃纤维制品，纤维直径比较粗，则纤维制品的比表面积较小，容易被树脂浸润，对提高透明玻 璃钢的透光率有利。树脂的作用是把玻璃纤维牢固地黏结在一起，使纤维能共同受力。常用的树脂有丙烯 酸类树脂和不饱和聚酯树脂。丙烯酸类树脂主要是以甲基丙烯酸甲酯为单体聚合的树脂，透明性好、耐老 化性好，为了使树脂的折光率与玻璃纤维接近，也使用苯乙烯改性的聚甲基丙烯酸甲酯树脂。此外，丙烯 酸类树脂透紫外线能力较强，由于其折射率调节范围较大，故对中碱和无碱玻璃纤维都能适用。透明型不

9、 饱和聚酯树脂也是甲基丙烯酸甲酯改性的，以提高其耐光性能。透明型不饱和聚酯树脂的发展历史较长， 技术比较成熟，价格也比较便宜。透明玻璃钢是一种既能承重又能透光的复合材料。透光材料本身特性决定其对光学性能要求比对强度 的要求要高。透明玻璃钢对玻璃纤维和树脂原料的光学性能要求有二：一是要求玻璃纤维和树脂本身的透 光率高；二是要求玻璃纤维和树脂复合成玻璃钢后的透光性能要好。所以首先就要提高玻璃纤维和树脂固 化体的透光率，其次是要求玻璃纤维和树脂固化体的折射率保持一致。丙烯酸类树脂能适有碱和无碱玻璃 纤维的折射率，而不饱和聚酯的折射率不能和无碱纤维相匹配。从我国的实际情况分析，两者均有发展前 途，但目

10、前国内仍以不饱和聚酯透明玻璃钢为主。国外生产透明玻璃钢的增强材料，主要是玻璃纤维毡。毡片分为增强毡和表面毡两种。其优点有毡片 价格便宜、易浸透树脂、树脂含量高（可达 75）、透光率高、厚度对透光率的影响小，但用毡制成的透明 玻璃钢强度低，厚度较大，因而提高了生产成本。而国内生产透明玻璃钢板材除机械化连续生产机组用毡 外，一般都是用无捻粗纱布。用玻璃纤维布生产透明玻璃钢的特点是强度高，树脂含量少（50左右），板 材的厚度可降低到0.8mm左右。其主要缺点是产品厚度对透光率影响较大，价格比玻璃毡高。另外，为防止成型的复合材料制品在模具上粘着，需要在制品与模具之间施加一类隔离膜来使制品容 易 从模具

11、中脱出，同时保证制品表面质量和模具完好无损。这就是要用到脱模剂了，脱模剂分为内部润 滑性和外部润滑性。内部润滑性脱模剂主要是提高聚合物分子本身的润滑性，所以要求要和树脂聚合物有 一定程度的亲和性或相容性。外部润滑性脱模剂是提高模具与聚合物之间的润滑性，因而对它的选择很重 要。对 脱模剂一般要求如下：使用方便、干燥时间短；操作安全、无毒；均匀光滑、成膜性好；对模具 无腐蚀，对树脂固化无影响；对树脂的粘附力低；配制容易、价格便宜。5 透光复合材料的制备工艺透明玻璃钢可以使用普通玻璃钢的生产工艺进行生产。透明玻璃钢平板、波形板和夹层板的生产工 艺主要有手糊工艺和机械化成型工艺，国内生产透明玻璃钢板材

12、以手糊工艺为主。手糊成型工艺又称接触 成型，是树脂基复合材料生产中最早使用和应用最普遍的一种成型方法。手糊成型工艺是以加有固化剂的树脂混合液为基体，以玻璃纤维及其织物为增强材料，在涂有脱模剂 的模具上以手工铺放结合，使二者粘接在一起，制造玻璃钢制品的一种工艺方法。手糊成型的主要工序是 在操作平台上完成薄膜、玻璃纤维布或毡的铺设、刮涂树脂等工作。用无捻粗纱布时，一般铺设34 层， 树脂含量为48.5%52%。用短切纤维毡时，树脂容易浸透，虽然不能直接用刮板在纤维毡上刮，气泡仍机械化成型工艺既可以使用短切纤维毡，也可以使用玻璃布，分为纵波形板生产工艺和横波波形板生 产工艺两种，主要工艺步骤为玻璃纤

13、维布或毡的准备、浸渍树脂、赶除气泡、加热固化、裁切或卷取（横 波波形板）。透明玻璃钢壳体采光罩一般用手糊工艺或喷射工艺成型。6 透光复合材料的发展与防老化制造透明玻璃钢用的透明树脂的发展方向，主要是提高其耐光性、耐水性、耐磨性和自熄性等。不饱 和聚酯树脂的研究重点是提高其耐老化性能，防止变黄、延长使用寿命。丙烯酸类树脂透紫外线能力比不 饱和聚酯好，产品不易变黄，其研究重点是提高硬度、减少收缩等。如今，透明玻璃钢主要研究方向为： 提高机械化生产水平；提高耐老化性能，延长使用寿命；开发新产品，扩大使用范围。其中就研究透明玻 璃钢的老化机理，探求防止老化的技术措施，延长其使用寿命，是当前发展这种材料

14、的重要课题，也是一 直以来的研究重点。透明玻璃钢在使用过程中，因受自然环境的影响，物理力学性能逐渐变坏，最后失去使用价值，这种 现象称为老化。透明玻璃钢的耐久性按品位分三等（其玻璃纤维含量均在30%左右）：一般产品使用34 年，加防护处理的可使用710年，特殊处理的使用1520年。老化现象主要表现为：光泽减退，颜色 变黄；表面树脂剥蚀，玻璃纤维外露，玻璃钢表面发毛及灰尘污染；玻璃纤维和树脂间的粘接破坏，玻璃 纤维纹理显露，玻璃钢发白；透明玻璃钢的强度和透光率降低。透明玻璃钢的老化机理概括地讲，可分为物理因素和化学因素两大类：物理因素包括温度变化，应力 作用、机械磨损等，化学因素包括光、热、氧及

15、化学介质（水、酸、碱、盐雾等）作用。在这些因素中，影 响最大的是光、机械磨损和湿热等。防光老化的措施主要有两点：1）改变不饱和聚酯树脂的原料组成。提高玻璃钢中树脂含量或者在不饱和聚酯树脂中加入甲基甲烯酸甲 酯单体代替部分苯乙烯，都能有效地提高透明玻璃钢的耐光性。2）加入光稳定剂。采用添加优先吸收紫外线化学物质，可以有效地控制由光化学反应所引起的老化。在 不饱和聚酯树脂中加入紫外线吸收剂，可以减缓透明玻璃钢老化进行速度，减缓透光率降低和颜色变黄。 光稳定剂也称紫外线吸收剂，是一种能够吸收紫外线或减少紫外线破坏作用的化学物质。它可以强烈地吸 收高能量紫外线，并能将吸收的紫外线能转为热的形式或无破坏

16、作用的长光波形式放出，使聚合物的分子 免受紫外线破坏。紫外线吸收剂的种类很多，其吸收紫外线的性能也不一样，在选择光稳定剂时，必须了 解树脂的敏感波长，因为只有选用能吸收其敏感波长的紫外线吸收剂，才能提高树脂的光稳定性。对于透 明玻璃钢来讲，在选择紫外线吸收剂时，还应该考虑它对玻璃钢的染色性和经济效果。紫外线屏蔽剂和紫 外线淬灭剂是有效的紫外线稳定剂。紫外线屏蔽剂是阻止紫外线射入树脂，起着遮光作用，其代表性产品 是槽法炭黑，用量一般为1%2%，它的技术经济效果最佳，但不适用于透明产品。淬灭剂以镍镉合物为 代表，它能迅速地把紫外线激发的分子的能量转移，使原来处于激发态的分子迅速熄灭而回到稳定的基态

17、 避免进一步降解。光稳定剂的加入方式，对玻璃钢的光老化性能也有很大影响，光稳定剂加在表面树脂层 中比直接加在树脂中优越。紫外线吸收剂的发展方向是高分子量化、反应型化和多官能化。7 透光复合材料的应用透明玻璃钢在国内使用的范围很广：1）在工业建筑中，透光复合材料主要用于天窗采光和墙面侧向采光，在这方面的应用是透光复合材料 用量最大的一个领域。2）在民用建筑中，透光复合材料主要用于大跨度的公用建筑采光，常以各种类型出现。它可以是局部 布点采光，也可以设计成整体屋顶采光。3）在农、林业生产中，透光复合材料主要是代替玻璃建造各种温室，改变生活环境，战胜季节及恶劣 环境，实现全年增产丰收。4）在渔、牧及

18、家禽生产中，透光复合材料的应用主要是建造各种温室，用于水产养殖的越冬设施，改 变其生态条件，促进鱼类生长；在养牛业、养鸡业建造透光复合材料牛棚和透过复合材料鸡舍。 透光复合材料除上述用途外，还广泛应用于室内外装修、广告工程、太阳能利用、化工厂的工艺过程 中的透明管道和容器、混凝土养护罩、封闭式天井及停车场、木材烘干房、酱菜厂的晒酱棚和缸罩等。结语综上所述，透明玻璃钢是一种很有发展前途的透光材料，是采光工程设计中的主要发展方向之一。目 前世界各先进国家都已拥有相当大的生产能力，并不断在为提高透明玻璃钢产品质量（特别是耐老化性）、 降低成本及增加品种等方面进行研究。随着我国社会主义建设的迅速发展，透明玻璃钢在国民经济建设中 的作用也将越来越重要。参考文献1曾黎明编著.功能复合材料及其应用.北京:化学工业出版社,2007:1602钟世云,李岩编著.建筑塑料.北京:中国石化出版社,2007:3033刘雄亚,欧阳国恩,张华新,刘宁编著.透光复合材料、碳纤维复合材料及其应用.北京:化学工业出版社,2006:1 4郭健.重点实验建设.2007;9:1