新型高強度玻璃纖維制備及其增強環(huán)氧樹脂性能.

1、2010年第17期航空制造技術(shù)75新型高強度玻璃纖維制備及其增強環(huán)氧樹脂性能中材科技股份有限公司劉建勛祖群朱建勛高強度玻璃纖維與普通無堿玻璃纖維相比具有拉伸強度高、彈性模量高、抗沖擊性能好、化學穩(wěn)定性好、抗疲勞性好、耐高溫等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航 空、航天、兵器、艦船、化工等領(lǐng)域。目前,主要高強度玻璃纖維有：美國的“S2”、日本的“T”纖維、俄羅斯的 “BMJ纖維、法國的“ R纖維和中國的“ H S系列纖維3-6。表1是不同牌號 高強度玻璃纖維的 性能比較,同時與E-glass纖維作對 比。從表1可以看出，目前我國性能較高的“H斟”玻璃纖維，其力學性能和 法國“R玻璃纖維、俄羅斯劉建勛畢業(yè)于南

2、京理工大學國家特種超細粉體研究中心，獲工學博士學位。 20082010年,南京玻璃纖維研究設(shè) 計院博士后、高級工程師,江蘇省顆粒學會理 事。主持國防軍品配套、江蘇省自然科學基金等國家和省科技項目，現(xiàn)在主要從事特種玻璃纖維成分與性能研 究。發(fā)表SCI、EI文章10余篇。Preparatio n of New High-Stre ngth Glass Fiber andPerforma nee of Rei nforced Epoxy Res in*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃資助項目（2007AA03Z549 ;江蘇省自然科學基金資助項目（BK2009488 。HS2HS iS-2RTli

3、 M J JE-glais3020t600LSOT”底旳11001650tSOODOO3U5彈性模量/GFaH2 986. 1SI9陽88 k 395 01 1/MFa26003 100330038003500900弼100-GtOO-33002100高強度玻璃纖維與普通無堿玻璃纖維相比具有拉伸強度高、 彈性模 量高、抗沖擊性能好、化學穩(wěn)定性好、 抗疲勞性好、耐高溫等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、化工 等領(lǐng)域，如導(dǎo)彈發(fā)動機殼體、宇航飛機內(nèi)襯、槍托、發(fā)射炮筒、防彈裝甲、高 壓容器等。隨著科技的發(fā)展，高強度玻璃纖維在各工業(yè)領(lǐng)域的需求量也在不斷擴大 1-2 o76航空制造技術(shù)2010年

4、第17期及浸膠紗強度及層間剪切強度。（2玻璃纖維新生態(tài)強度的檢測。根據(jù)標準A S T M D -2102,取熔制好的玻璃約60g,放入單孔鉑銠坩 堝內(nèi),在 1440r 1450C下再熔融，通過控制常規(guī)的玻璃纖維成型工藝 參數(shù)（液面高度、熱 點溫度、拉絲機轉(zhuǎn) 速等，拉制成直徑為78卩m的連續(xù)玻璃纖維，采用強力測試機 測試其 新生態(tài)強度，測試環(huán)境濕度必須控制 在規(guī)定范圍內(nèi)。（3玻璃纖維耐溫性的 檢測。玻璃纖維的耐溫性采用軟化點 來判定,軟化點溫度越高，耐溫性越 好,反之 則耐溫性差。軟化點的測試方法與其他玻璃纖維軟化點測試方法相同，采用吊絲法 （按A S T M C -338測試,勻速升溫,激光位

5、移感 應(yīng)器記錄玻璃伸長速率,當伸長率 達到1m m /m i n時，此時對應(yīng)的溫度即 為軟化點。(4玻璃纖維耐酸性的檢測。 玻 璃纖維耐酸性測試是采用直 徑為10卩m左右、長度為6c m、表面積為2500c m 2 的玻璃纖維于150m L, 10%H C l溶液中，96C條件下，浸泡24h,過濾、干燥，測量 其重量,計算其質(zhì)量損失率。(5玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂浸膠紗強度的檢測。根據(jù)標準A S T M D2343,將高強 度玻璃纖維無捻粗紗經(jīng)過浸膠槽纏 繞在不銹 鋼架上，垂直放入烘箱進行 固化，固化條件：100°C 2h+140°C 4h,取出固化好的浸膠 紗樣條,進行拉伸強

6、力測試和彈性模量測試。結(jié)果與分析1玻璃纖維新生態(tài)強度測試結(jié)果表3是試驗樣品與對比樣品的 新生態(tài)強度數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以 看出,NEW HS玻璃纖維新生態(tài)強度 為46004800MP a,與美國S -2玻璃 纖維的新生態(tài)強度基 本處于同一檔2所示。與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品H S2、H S4配方方案作對比。(3玻璃的熔制及玻璃纖維的制備按表2所列各配方的化學組成計算出各種原料所需用量，準確稱量后混 合均勻配制成配合料,置于熔制玻璃用鉑銠坩鍋中,在1510C 1550C溫 度范圍內(nèi)，邊攪拌邊熔融，熔制24h,得到澄清、均化的玻璃液,把熔制好的玻璃液 流放到耐熱鋼板上,冷卻后得到玻璃塊。將一 定質(zhì)量的玻璃置于單

7、孔拉絲坩堝內(nèi)， 調(diào)節(jié)玻璃液的溫度、 液面高度以及拉 絲機的轉(zhuǎn)速，制備所需直徑的玻璃纖 維,對玻 璃纖維進行相關(guān)性能測試。2樣品的性能及表征(1儀器。熔制玻璃用雙格鉑銠坩堝和單 孔拉絲坩堝均為中材科技自行研究 設(shè)計、制造; 采用強力測試機測試玻 璃纖維的新生態(tài)強度，采用玻璃纖維 軟化點測試儀（中國湘 潭，型號PCY-S P1100進行測量玻璃纖維的軟化 點;采用高精度顯微鏡（意大利,型 號Microclor 250B測試玻璃纖維直徑。采用電子萬能試驗機（深圳市三思計算機技術(shù)有限公司，型號：5105測試玻璃纖維無捻粗紗的干紗強度“BMJ和日本“T'纖維相當，但與美國“-2”玻璃纖維相比，玻

8、璃纖維 的新生 態(tài)強度及復(fù)合材料力學性能 低10%左右,軟化點低40C 50C ,在強度、耐熱等 方面與國外同類產(chǎn)品 相比還存在一定差距，難以滿足先進 復(fù)合材料對增強基材提高 力學性能、耐熱性能等要求。需要開發(fā)具有更高強度、更好的化學穩(wěn)定性和耐熱 性的新型高性能玻璃纖維。本課題針對上述存在的問題，設(shè)計了新的高強度玻璃纖維成分（NE W H S ,采用該成分制備的高強 度玻璃纖維提高了玻璃纖維的拉伸 強度,同時提高了玻 璃纖維的耐溫性和耐酸性等性能。試驗1新型高強度玻璃纖維的制備（1試驗試劑。試驗熔制玻璃所需的Si O 2、A l 2O 3、M g 0、B 2O 3、C e O 2、L i 2C

9、 O 3、F e 20 3等原料皆為工 業(yè)級原料（其中SiO 2為石英砂礦引入,其余物質(zhì)皆為 氧化物,是化工原料。（2高 強度玻璃纖維的成分設(shè) 計。新型高強度玻璃纖維的成分設(shè) 計配方方案（NE W H S -1#4# ,如表成分1TEW HS-2X5-3IE* MS-IIKS2MSiSiO：58 -625B-625B -6258 6251 -5B51 5B23 2623 r曲23 2623 -2622 -2511 7 111-14111111-1411 - i 113 4&00001 3Ct02115151 51 231 19帕,1100.3000.30 30 3000z0 5OS00

10、.30 981.1Li:00.2Q.20.20.20.590 232010年第17期航空制造技術(shù)77次,高于HS2、HS4玻璃纖維。2玻璃纖維耐溫性測試結(jié)果表4中有試驗樣品與對比樣品軟化點數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可看出,N E W H S玻璃纖維的軟化點為964C 968C ,明顯高于H S2、H S4,接近美國S -2 玻璃纖維的軟化點溫度。3玻璃纖維耐酸性測試結(jié)果表4中還有試驗樣品與對比樣品的耐酸性數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出,N E W H S玻璃纖維在10%的H C I中的質(zhì)量損失率為4.38%5.25%，耐酸性明顯高于H S2、H S4玻璃纖維，但與美國S -2玻璃纖維相比,本試驗樣品的耐酸性低

11、。4玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂浸膠紗強度測試結(jié)果表5是相同浸潤劑 條件下,試驗樣品與對 比樣品的增強環(huán)氧樹脂浸膠紗 強度和彈性模量數(shù)據(jù)。由表5可以看出，HS2 C9-660浸膠紗強度為3640.7 MPa, 彈性模量為82.9G P a ; H S4 C9-660浸膠紗強度為3883.9M P a,彈性模量為 86.4GPa ; NEW-H S C9-480浸膠紗強度 為 4167.4M P a,彈性模量為 87.0G P a 同 一直徑的H S2、H S4、N E W -H S三者的浸膠紗強度和彈性模量數(shù) 據(jù)相比較，都顯示N E W -H S比較好，浸膠紗強度比H S2和H S4分別提高14.47

12、%、7.30%;彈性模量比H S2和H S4分別提高4.94%、0.70%。同時由表5可看出，隨纖維直徑 的變大，N E W -H S玻璃纖維增強 的環(huán)氧樹脂的浸膠紗強度和彈性模量逐漸變小,符合玻璃纖維直徑與強度的關(guān) 系。5討論與分析 設(shè)計的新型高強度玻璃纖維成分配方中，以SiO 2、Al 20 3、MgO為主要成 分，總含量為96%98%,比原H S2、H S4 中S i O 2、A l 2O 3、M g O總含量有所提高。其中S i O 2為主要玻璃骨架成分， 其含量適當增加可以提高玻璃纖維的新生 態(tài)強度、耐酸性、耐溫性;A l 2O 3可以提高玻璃纖維的強度、耐溫性，隨著A l 2O 3

13、含量的增加，玻璃結(jié)構(gòu)致密，玻璃纖維強度隨之提高，但超過25%以后由于A l 2O3配位數(shù)的改變，反而使玻璃結(jié)構(gòu)松弛，造成強度降低，因此本 試驗設(shè)計A l 2O 3的最高含量不超過25%; M g O是網(wǎng)絡(luò)外組分，可以降低玻璃的高溫粘度，對玻璃熔制過程有一定的好處，但如果含量過高 時容易使玻璃失透，本試驗適合的MgO含 量為12%15%。在纖維增強樹脂復(fù)合材料中,纖維和樹脂各自起著獨立的作用,同 時又相互依存，純粹的纖維狀態(tài)是不能作為工程結(jié)構(gòu)材料的，而樹脂的力學性能也是很差的， 只有把它們結(jié)合起 來,形成一個整體,才能有效地發(fā)揮它們 自身的作用。其 他條件不變 時，復(fù)合材料增強體的強度 增加,則復(fù)合材料的強度增力。本課題 制備的新型高強 度玻璃纖維由于改變了其主成分含量,使玻璃纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加 致密,因此其拉伸強度比現(xiàn)有高強玻璃纖維產(chǎn)品增加，用此纖維增強的環(huán)氧樹脂體系復(fù)合材料的拉伸強度亦 隨之提高。同時其耐溫性、 耐酸性等性能有較大提高，因此新型高強度玻璃纖維有望用于力學性能要求高、耐高溫、耐腐蝕的高性能復(fù)合材料中。軟化點/U