玻璃纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度及復(fù)合材料強(qiáng)度影響的研究

1、維普資訊 方允偉：玻璃纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度廈復(fù)合材料強(qiáng)度影響的研究f er 技術(shù)與研究glass玻璃纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度及復(fù)合材料強(qiáng)度影響的研究方允偉(國(guó)家玻璃纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，南京 210012)摘 要：介紹了玻璃纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度及復(fù)合材料強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)，研究了玻璃纖維直徑與纖維強(qiáng)度的關(guān)系及纖維直徑對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響 結(jié)果表明，纖維直徑越細(xì)，纖維的強(qiáng)度越高，但是對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，纖維直徑越細(xì)相應(yīng)的復(fù)合材料強(qiáng)度反而會(huì)略有下降。關(guān)鍵詞：玻璃纖維：聚酯棒；彎曲強(qiáng)度；復(fù)合材料i=【】en 0fg夏assf1阿m髓0n衛(wèi)趣日 訂h0ff1b】三l5 ndois皿fang yunwei(nati

2、onalfiberglassproductqualitysupervisiontestingcenter，nanjing 210012)abstract：thedependencyofglassiberfstrength ontheiberfdiameterandtheinfluenceofiberfdiam eteronhetstrengthofiberfcompositewereexperimentallyinvestigatedtheresultsshowedhatthetsmallerhetiberfdiam eter，hethigherhetiberfstren ，butforfib

3、ercomposite，itsstrengthwasslightlyreducedwiththedecreaseoffiberdiameterkeywords；glassfiber；olyesterrodpendingbstrength；composite(materia1)0 前言研究也相當(dāng)多，但是一直以來(lái)存在這樣一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)玻璃纖維是玻璃制品中的一種，它是將高溫熔為纖維直徑越細(xì)，纖維的強(qiáng)度越高，制成的復(fù)合材融狀態(tài)下的玻璃液，經(jīng)漏嘴流出，在漏嘴出口處施 料的強(qiáng)度也越高。但大量的事實(shí)證明，并非如此，因加高速向下的拉引力，玻璃液被拉伸并冷卻固化成 此有必要對(duì)玻璃纖維制品的性能及纖維直徑對(duì)復(fù)合為很

4、細(xì)的纖維，通常直徑為530pm。玻璃纖維具 材料強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究有許多優(yōu)良性能，用途也相當(dāng)廣泛，一直是用量最 玻璃纖維只是作為一種過(guò)渡性產(chǎn)品，并不能完大用途最廣的非金屬增強(qiáng)材料。隨著玻璃纖維工業(yè) 全決定復(fù)合材料的最終強(qiáng)度 。也就是說(shuō)，纖維的強(qiáng)的迅速發(fā)展，應(yīng)用迅速擴(kuò)大，對(duì)于玻璃纖維性能的 度高并不能就可以說(shuō)明玻璃鋼復(fù)合材料的強(qiáng)度就越高。由于單質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料，目的在于取得收稿日期：20060618單質(zhì)材料所沒(méi)有的性能和經(jīng)濟(jì)效益，因此研究復(fù)合作者簡(jiǎn)介：方允偉。男1979年生，國(guó)家玻璃纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督材料的性能，不僅在于原材料、復(fù)合過(guò)程和復(fù)合結(jié)檢驗(yàn)中心助理工程師。構(gòu)，更重要的要看最后的復(fù)合效果

5、。這將有利于指<玻璃纖維 >2006年 第6期1技術(shù)與研究 f glass導(dǎo)玻璃纖維制品的發(fā)展方向，從而可以改善過(guò)去著重于生產(chǎn)小直徑玻璃纖維的生產(chǎn)狀況，轉(zhuǎn)向注重粗纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)，這將大大提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，同時(shí)也提高了復(fù)合材料的生產(chǎn)效益，尤其是大結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，比如纏繞管、冷卻塔、貯罐等。1 實(shí)驗(yàn)部分11 原材料及制備工藝111 原材料玻璃纖維：統(tǒng)一采用山東泰山復(fù)合材料有限公司池窯拉絲工藝生產(chǎn)的無(wú)堿玻璃纖維，其化學(xué)成分相同，所用的浸潤(rùn)劑也相同。其中直徑分別有3o m，24 m， 15lam， 14lam， l1lam， 8lam。樹(shù)脂：制聚酯棒試樣的樹(shù)脂為南

6、京費(fèi)隆復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的s一583通用型不飽和聚酯樹(shù)脂。112 聚酯棒制各工藝將玻璃纖維無(wú)捻粗紗束浸入配制好的樹(shù)脂中，待完全浸漬后用金屬絲將無(wú)捻粗紗束向上垂直牽引到模具中，當(dāng)玻璃纖維無(wú)捻粗紗的下端進(jìn)入模具口幾毫米處時(shí)，用塑料或軟木塞封住模具，以防樹(shù)脂外溢，然后按樹(shù)脂系統(tǒng)規(guī)定的固化條件固化，制備足夠數(shù)量彎曲試樣。12 實(shí)驗(yàn)方法及儀器121 玻璃纖維直徑用放大倍數(shù)為800 1000倍的顯微鏡測(cè)定，依據(jù)gbt 76903縱向法進(jìn)行。122 單絲拉伸強(qiáng)度用日本utm-i一2o單絲拉伸強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)玻璃纖維單絲的拉伸強(qiáng)度。123 聚酯棒彎曲強(qiáng)度用長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，依據(jù)gbt 1

7、449進(jìn)行。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論21 玻璃纖維直徑與單絲拉伸強(qiáng)度的關(guān)系玻璃纖維單絲拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1及圖1。維普資訊 方允偉：玻璃纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度及復(fù)合材料強(qiáng)度影響的研究表1 不同直徑的纖維強(qiáng)度平均直徑 m136153244298平均強(qiáng)度肝a25210。24810。 2 0410。181×i0。妥8三魁鼎纖維直徑u圉1 纖維直徑與纖維強(qiáng)度關(guān)系由于纖維的內(nèi)部和外部均存在微裂紋，纖維越粗，表面積越大 出現(xiàn)裂紋的幾率越大。當(dāng)施加外力時(shí)，最薄弱區(qū)裂紋迅速擴(kuò)展直至纖維斷裂，纖維直徑粗表面積大就大大增加了纖維斷裂的可能性，因此纖維直徑越細(xì)纖維的強(qiáng)度越高。玻璃微裂紋的產(chǎn)生原因，最重要條件是玻璃

8、中存在缺陷，主要是結(jié)構(gòu)不均一性。玻璃中存在著有序區(qū)、微晶子、化合物、近程有序的集合體等等都構(gòu)成了玻璃的不均一性，玻璃中存在著弱鍵，構(gòu)成了產(chǎn)生大小不同的微裂紋的有利條件。當(dāng)施加外力時(shí)，微不均勻處及薄弱區(qū)首先破裂，便形成了裂紋的胚胎。玻璃液中的缺陷又增大了玻璃的不均一性，因而導(dǎo)致纖維的強(qiáng)度大大降低。拉絲作業(yè)中不可避免地要形成表面裂紋，因?yàn)榻z根冷卻是一個(gè)漸變過(guò)程。在拉絲力作用下，每根纖維都受到一定的應(yīng)力，這種應(yīng)力作用于先硬化的纖維外殼時(shí)就產(chǎn)生表面裂紋。22 玻璃纖維直徑對(duì)聚酯棒彎曲強(qiáng)度的影響聚酯棒彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2及圖2。221 影響聚酯棒彎曲強(qiáng)度的主要因素2211 從化學(xué)鍵理論分析該理論認(rèn)為基

9、體表面上的官能團(tuán)與纖維表面上的官能團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)，因此基體與纖維問(wèn)產(chǎn)生化學(xué)鍵而結(jié)合，形成界面，也稱(chēng)為 “偶聯(lián)理論”。由于<玻璃纖堆>2006年第6期2方允偉：玻璃纖雛直徑對(duì)纖維強(qiáng)度及復(fù)合材料強(qiáng)度影響的研究寰2 不同纖維直徑的聚醢棒強(qiáng)度時(shí)星皤魯靜雌齷纖維直徑um+干態(tài)+濕態(tài)圈2 纖維直徑與聚酯棒彎曲強(qiáng)度關(guān)系在拉絲過(guò)程中，玻璃纖維表面都涂有增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑，使玻璃纖維與基體之間有良好的粘結(jié)性，主要是偶聯(lián)劑的作用。一方面，從成鍵的幾率上分析看，玻璃纖維比表面積大，偶聯(lián)劑與基體成鍵的幾率就越大。不僅僅如此，對(duì)于含有多個(gè)官能團(tuán)的偶聯(lián)劑分子來(lái)說(shuō)，所有的官能團(tuán)能否與基體的官能團(tuán)反應(yīng)成鍵，即有效成鍵數(shù)目

10、的多少將大大影響聚酯棒的強(qiáng)度。另一方面，基體 (樹(shù)脂 )的分子中也同樣含有多個(gè)官能團(tuán)，如果樹(shù)脂分子中的多個(gè)官能團(tuán)或者使較長(zhǎng)的鏈段能與偶聯(lián)劑結(jié)合成鍵，那么也將會(huì)提高聚酯棒的強(qiáng)度。2212 從浸潤(rùn)理論分析如果認(rèn)為兩組分能完全浸潤(rùn)，則樹(shù)脂在高能表面的物理吸附所提供的粘結(jié)強(qiáng)度，將大大超過(guò)樹(shù)脂的內(nèi)聚強(qiáng)度。玻璃纖維與樹(shù)脂的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘結(jié)與潤(rùn)濕吸附。機(jī)械粘結(jié)模式是一種機(jī)械鉸合現(xiàn)象，即樹(shù)脂固化后，大分子進(jìn)入纖維的孔隙和不平的凹陷之中形成機(jī)械鉸連：物理吸附主要是范德華力的作用，使兩項(xiàng)間進(jìn)行粘附。這兩種作用的同時(shí)存在也提高了聚酯棒的強(qiáng)度。2213 從摩擦理論分析對(duì)于基體與玻璃纖維表面的界面，粘結(jié)摩擦作維普資

11、訊 fber 技術(shù)與研究glass用也有很大的影響，基體與玻璃纖維表面的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。處理劑的作用在于增加了基體與玻璃纖維表面的摩擦系數(shù)，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高。水等低分子物質(zhì)浸入后，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降，但干燥后強(qiáng)度又能部分恢復(fù)。這是由于水進(jìn)入界面后，基體與增強(qiáng)材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力減弱，故強(qiáng)度降低，而干燥后界面的水減少，基體與玻璃纖維間的摩擦系數(shù)增大，傳遞應(yīng)力的能力增加，故強(qiáng)度部分恢復(fù)。2214 張力的影響由于纖維都是以纖維束的形式存在，而且纖維通常還需要加捻合股等工序，在纖維束中就很可能存在纖維的長(zhǎng)短不勻的現(xiàn)象，造成了纖維的張力不均，即在纖維受力時(shí)并不是

12、所有的纖維都起到了作用，這也降低了聚酯棒的強(qiáng)度。2。2。15 聚酯棒在干態(tài)和濕態(tài)下彎曲強(qiáng)度的比較與分析由于濕度對(duì)于玻璃鋼的性能影響比較大，而在很多的應(yīng)用上其環(huán)境的濕度都是比較大的，所以也有必要研究玻璃鋼在濕態(tài)下的性能。從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)噪顯示來(lái)看，聚酯棒在干態(tài)下的彎曲強(qiáng)度要比在濕態(tài)的彎曲強(qiáng)度高i00mpa左右，因此如何采取有效的方法防止玻璃鋼在濕態(tài)下強(qiáng)度的降低，還有待進(jìn)一步研究。以下是對(duì)兩種情況下玻璃鋼性能的分析，即水對(duì)玻璃鋼破壞的分析。清潔的玻璃纖維表面吸附水的能力很強(qiáng)，并且纖維表面與水分子之間的作用力，通過(guò)已吸附的水膜傳遞，所以玻璃纖維表面對(duì)水的吸附是多層吸附，形成較厚的水膜，因此這就很大程度

13、上影響了玻璃纖維與樹(shù)脂的粘結(jié)。玻璃纖維復(fù)合材料表面上吸附的水浸入界面后，發(fā)生水和玻璃纖維及樹(shù)脂間的化學(xué)變化，引起界面粘結(jié)破壞，致使復(fù)合材料破壞。復(fù)合材料吸附的水進(jìn)入界面的途徑，一是通過(guò)工藝過(guò)程中在復(fù)合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應(yīng)力作用下破壞，形成互相串通的通道，水很容(下轉(zhuǎn)第7頁(yè))<玻璃纖維>2006年 第6期3李陶琦：玻璃纖維加工用環(huán)氧改性醋丙樹(shù)脂乳液合戍研究增大，硬度和耐堿性隨之增加。同時(shí)，由于用量增加，在乳化劑用量一定的情況下，樹(shù)脂不易被乳化，導(dǎo)致凝聚率升高和貯存穩(wěn)定性下降。綜合考慮環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)聚合反應(yīng)及樹(shù)脂膜性能的影響，選用e-54作為環(huán)氧組份，其用量以單體總量的10為宜

14、。3 環(huán)氧改性醋丙乳液在玻璃纖維加工中的應(yīng)用表5 抗堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗和網(wǎng)布的耐堿性項(xiàng)目無(wú)捻粗紗 網(wǎng)布備注強(qiáng)力保留率 861 907 100飽和ca(oh)2溶液中浸泡4h失重率195 188 100，10naoh溶液中浸泡1h環(huán)氧改性醋丙乳液經(jīng)150烘干成膜后具有優(yōu)良的耐堿性，能有效的防止玻璃纖維在強(qiáng)堿性介質(zhì)中被侵蝕，使纖維強(qiáng)度降低、纖維變脆而失去增強(qiáng)作用，可以用作抗堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗浸潤(rùn)劑的成(上接第3頁(yè) )易沿通道到達(dá)很深的部位；另一條是樹(shù)脂內(nèi)存在的雜質(zhì)，尤其是水溶性無(wú)機(jī)物雜質(zhì)，遇到水時(shí)，因滲透壓的作用形成高壓區(qū)，這些高壓區(qū)將產(chǎn)生微裂紋，水繼續(xù)沿微裂紋浸入。此外復(fù)合材料制備過(guò)程中所產(chǎn)生的

15、附加應(yīng)力，也會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部形成微裂紋，水也能沿著這些裂紋浸入。進(jìn)入界面的水，首先是使樹(shù)脂溶脹，溶脹致使界面上產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力。這種應(yīng)力超過(guò)樹(shù)脂與玻璃纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，則界面粘結(jié)發(fā)生破壞，因此，復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)很快降低甚至完全破壞3 結(jié)論(1) 纖維的直徑越細(xì)纖維的強(qiáng)度越高。(2) 不同直徑的纖維所制得的聚酯棒彎曲強(qiáng)度，纖維越細(xì)聚酯棒的強(qiáng)度越低，但是變化不是很大。這主要是樹(shù)脂對(duì)纖維的微裂紋進(jìn)行了很好的修補(bǔ)，因此纖維直徑的粗細(xì)對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度并沒(méi)有多大的影響。維普資訊 fi，l 技術(shù)與研究glass膜劑和抗堿網(wǎng)布涂層。使用該乳液的玻璃纖維產(chǎn)品的耐堿性如表5所示 從表5中可以看出，使用該乳液的無(wú)

16、捻粗紗和網(wǎng)布都有優(yōu)良的耐堿性。4 結(jié)論在醋丙乳液中通過(guò)化學(xué)方法引入環(huán)氧樹(shù)脂可以合成出環(huán)氧改性醋丙聚合物樹(shù)脂乳液。這種乳液在15o所形成高分子膜具有優(yōu)良的耐堿性，可用作抗堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗浸潤(rùn)劑的成膜劑組份和抗堿玻璃纖維網(wǎng)布涂層。參考文獻(xiàn)1胡金生乳液聚合北京：化學(xué)工業(yè)出版社。19872孫曼靈環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用原理與技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20033任川榮，李陶琦等抗堿無(wú)捻粗紗浸潤(rùn)劑專(zhuān)用pvac-,液的研制玻璃纖維。1997(4)：68 _l(3) 聚酯棒在濕態(tài)和干態(tài)下的彎曲強(qiáng)度均相差100mpa，說(shuō)明濕度對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度影響比較大，有待進(jìn)一步提高在濕態(tài)下的強(qiáng)度。參考文獻(xiàn)1張恒。張健復(fù)合材料工藝與性能武漢：武漢工業(yè)