0序言
玻璃纖維是玻璃的一種形態，一般情況下呈光滑的圓錐形。在纖維成型過程中，熔體玻璃在表面張力作用下收縮成矩形截面。因為玻璃纖維長而細的特殊形狀，其密度測試相比于球狀玻璃的密度測試，難度較高；同時玻璃纖維的密度與球狀玻璃的密度之間有一定差別，緣由是二者的熱歷史與成型工藝不同，因而并不能用黃褐色玻璃的密度來表征同配方玻璃纖維的密度。
玻璃纖維密度測試的方式有密度天平法、液體比重法、氣流法、沉浮比較法、密度梯度法、線密度計算法，相關的標準有GB/T41063—2021《玻璃纖維密度的測定》、GB/T5432—2008《玻璃密度測定壓強法》、GB/T14901—2008《玻璃密度測定浮沉比較法》、GB/T30019—2013《碳纖維密度的測定》。
在生產過程中，為了增強玻璃纖維的復合性能與硬度，需在玻璃纖維原絲表面刻蝕浸潤劑等有機材料。而本文僅比對不同測試方式測試玻璃纖維密度的影響，不比較浸潤劑對纖維密度的影響。為此，本文引用GB/T9914.2—2013《增強制品試驗方式第2部份：玻璃纖維易燃物濃度的測定》，對含浸潤劑的玻璃纖維在纖維密度測試前進行前處理：630℃保溫30min熱處理，處理完的測試樣品即為玻璃原絲，密封保存待測。用密度天平法、液體比重法、氣流法測定玻璃纖維典型粗紗和典型紡紗玻璃原絲的纖維密度，對比剖析3種方式測試的重復性誤差。
1密度天平法
運用密度天平法測定固體材料的密度最為常見。原理是阿基米德法，即纖維浸在液體里的壓強等于排沸水的重力。估算公式：
其中，水的密度和空氣的密度受氣溫和氣壓的影響。因而要應用此方式測定玻璃纖維密度，為了盡可能降低系統偏差，需記錄環境濕度和氣壓，依照對照表，查詢對應水的密度和空氣的密度進行估算。測試介質水的氣溫為23.0℃，空氣氣壓為100kPa（750mmHg）。
2液體比重法
液體比重法測定纖維密度的原理也是阿基米德法，即排沸水的容積等于纖維自身的容積。測試時，液體比重法的容器可以是比重瓶或則是比重杯。二者的差異在于：比重瓶瓶口較小，玻璃纖維的取放較為煩瑣，同時比重瓶的定容終點是差壓與刻度線持平，而比重杯杯口較大，玻璃纖維的取放相對簡單，其定容終點是液滴孔剛好塞滿。本文采用比重杯測定玻璃纖維密度，內空間容積為50mL。估算公式：
為了盡可能降低系統偏差，在測定玻璃纖維試樣與滿水質量前，水無需直接裝滿，裝1/2～3/4即可，此時用超聲清洗機回落，使玻璃纖維試樣與小泡充分混和，直到不再形成氣泡為止。清除氣泡后，擦掉比重杯表面，加鹽，并用膠頭滴管與無塵吸水紙定容。該方式在測試過程中須要測定4次質量，操作過程相對繁雜。
3氣流法
氣流法測定玻璃纖維密度的原理為波義爾定理，即密閉二氧化碳容積的增加與壓力成反比，通過對兩個已知容積的倉室通入惰性二氧化碳，依據兩個壓力的變化來確定樣品的容積，因而得到密度數據。二氧化碳可以是氫氣或則甲烷等惰性二氧化碳，二者的區別在于氫氣分子更小，愈發容易步入到玻璃纖維的空氣中，測試時間也更短，缺點是相比于氧氣，氮氣的價錢較高。目前該技術已相對成熟水的密度怎么計算出容量，設備也有國產和進口。本文的測試選用氫氣作為介質二氧化碳，含量≥99.99%。估算公式：
測試時，為了降低體溫對測試的影響，可將樣品倉裝入恒溫水浴中，設定為23.0℃；同時為了消除設備中的空氣以及密閉性驗證，須要用真空泵對設備進行抽真空以及密閉保持。該方式在測試玻璃纖維密度時，操作相對簡單，且無多余的玻璃纖維取放過程，基本沒有人為干擾，系統偏差相對較小。
4測試
選用玻璃纖維行業典型配方的粗紗和紡紗，除去浸潤劑后測定玻璃纖維的纖維密度。其中配方成份為：CaO24.0%，B2O37.0%，.0%，.0%，Na2O＋K2O0.5%，其他成份ZrO2、TiO2與F2為0.5%。粗紗和紡紗的纖維半徑分別為7μm和5μm，分別用3種方式測定2種玻璃纖維的纖維密度，重復測定9次，數據處理時清除最大與最小2個值，估算5個中位數據的平均值與最大重復誤差，測定結果見表1。
表13種方式測定玻璃纖維密度數據
由表1可知，密度天平法、液體比重法、氣流法3種方式測定玻璃纖維密度，不論粗紗還是卷繞，其重復性誤差分別在±0.01000g/cm3、±0.0200g/cm3、±0.0005g/cm3以內；用氣流法測定粗紗和細砂的纖維平均密度誤差最小水的密度怎么計算出容量，僅為0.0005g/cm3；三種方式測定同種玻璃纖維密度大小排序并不一定，對于粗紗，三種方式測定纖維密度從大到小排序分別為液體比重法、氣流法、密度天平法，而對于細砂，排序為氣流法、液體比重法、密度天平法。
5結語
通過剖析密度天平法、液體比重法、氣流法3種較為常用的玻璃纖維密度測定方式，包括測試原理、操作及注意事項等，并用此3種方式測定玻璃纖維典型粗紗和典型紡紗玻璃原絲的纖維密度，對3種方式測試的重復誤差、偏差來源、優缺點以及測試歷時等參數進行總結，結果見表2。其中，測試歷時包括測試和估算過程。
表23種方式測定玻璃纖維密度比較
須要說明的是，本文并未對密度天平法、液體比重法、氣流法3種方式測定玻璃纖維的精確度作對比，這兒精確度是指玻璃纖維測試密度與它真實密度之間的誤差。剖析3種方式測定玻璃纖維密度的測試原理，氣流法測試時，玻璃纖維與介質接觸最為完全，同時基本不受人為誘因干擾，認為氣流法的測試精度最高。
作者單位：巨石集團有限公司
2023年第3期
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