玻璃纤维介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三部分 复合材料的增强材料,增强材料的作用：,承受外界施加载荷,，提高树脂基体的力学性能。还可提高耐热性，降低收缩率，以及赋予一些功能性（如磁学、电学等功能，功能体）,增强材料的外观形状：,纤维状,：增强作用最明显，应用最广,片状,颗粒状,6.1 GF,及其制品,6.1.1 GF,的分类,1,）以玻璃原料成分分类（用于连续,GF,的分类）,一般以不同的,碱金属氧化物,含量来区分。,无碱玻璃纤维,（,E,玻璃纤维）,碱金属氧化物含量,0.05%,化学稳定性、电绝缘性能、强度好,主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料等,第六章 玻璃纤维及其制品,中碱玻璃纤维（,C,玻璃纤维）,碱金属氧化物含量,11.5-12.5%,含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其化学稳定性和强度尚好。,一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度要求不很严格的玻璃钢增强材料。,成本较低，用途较广。,高碱玻璃纤维（,A,玻璃纤维）,碱金属氧化物含量,15,如采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成的玻璃纤维均属此类。,可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和毡片等防水、防潮材料。,特种玻璃纤维,由纯镁铝硅三元组成的,高强玻璃纤维,（,S,glass,）；,镁铝硅系,高强高弹玻璃纤维,；,硅铝钙镁系,耐化学腐蚀玻璃纤维,；,含铅纤维；,高硅氧纤维；,石英纤维等。,碱金属氧化物,：一般指氧化钠、氧化钾。,碱金属氧化物,是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔点。,碱金属氧化物,含量越高，玻璃纤维的化学稳定性、电绝缘性能、强度都会相应下降。,2,）以单丝直径分类,粗 纤 维,：单丝直径一般为,30um,初级纤维,：单丝直径大于,20um,；,中级纤维,：单丝直径,10-20um,高级纤维,：（,纺织纤维,）其单丝直径,3-10um,。,超细纤维,：,单丝直径小于,4um,。,一般：,5-10um,的纤维作为纺织制品用；,10-14um,的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。,3,）按纤维性能分类,这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维，大致可分为：,高强玻璃纤维；,高模量玻璃纤维；,耐高温玻璃纤维；,耐碱玻璃纤维；,耐酸玻璃纤维；,普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）；,光学纤维；,低介电常数玻璃纤维；,导电纤维 等,6.1.2,GF,的结构及组成,1,）,GF,的特点,玻璃,：,无规则的非晶态结构，近程有序，远程无序,玻璃的共性：,各向同性,无固定熔点,亚稳定性,性质变化的连续性，可逆性,亚稳定性,玻璃是由熔融液体过冷得到的，在冷却过程中粘度急剧提高，质点来不及做有规则的排列而形成晶体，没有释放出结晶潜热,(,凝固热,),。所以玻璃态物质比相应的结晶态物质具有较大的能量，不是处于能量最低的稳定态，而属于,亚稳态,。,性质变化的连续性、可逆性,：,玻璃在由熔融态冷却或加热过程中，其物理化学性质变化是逐渐、连续的变化，而且是可逆的。,2,）,GF,的结构,关于,GF,的结构有两种学说：,无规则网络学说,：,硅氧四面体，铝氧三面体，硼氧三面体相互连成不规则的三维结构。网络间的空隙由,Ca,、,Na,、,K,、,Mg,等阳离子所填充。,微晶学说,：,玻璃由硅酸块或二氧化硅的微晶子组成，在微晶子之间由硅酸块过冷溶液填充。,3,）,GF,的化学组成,玻璃纤维的化学组成主要有,SiO,2,、,Be,2,O,3,、,CaO,、,Al,2,O,3,等。这些物质对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用。,以,SiO,2,为主,称,硅酸盐玻璃,以,Be,2,O,3,为主,称,硼酸盐玻璃,以,P,2,O,5,为主,称,磷酸盐玻璃,除主要成分以外，尚须加入其他的氧化物等。各种氧化物在玻璃中的作用是比较复杂的。,6.1.3 GF,的性能,1),物理性能,a.,外观：光滑，圆柱形。纤维之间抱合力小，影响了与树脂的复合效果。但光滑表面对气体和液体通过的阻力小，所以制作过滤材料较理想。,b.,密度：,2.5,左右，主要取决于玻璃的成分。某些特种玻璃，如石英玻璃纤维，高硅氧玻璃纤维等，其密度较低，仅为,2.0-2.2g/cm,3,；含有大量重金属氧化物的高模,GF,，密度可达,2.7-2.9g/cm,3,。,2),力学性能,a.,拉伸强度,GF,的拉伸强度比玻璃高几十倍？,微裂纹假说：,玻璃结构的不均匀性，使玻璃易产生微裂纹，外力作用下，形成应力集中点。玻璃纤维，更多地保留着高温熔体的结构,(,结构均一性提高,),，微裂纹产生机会减少，且,GF,截面小，所以表面微裂纹比块状玻璃少。,影响玻璃纤维强度的因素：,纤维直径和长度,：,直径越小，长度越小，强度越大；,化学组成,：,含碱量越大，强度越小；,存放时间,：,存放时间越长，强度越小,(,空气中水分的侵蚀,),施加负荷时间,：,施加负荷时间越长，强度越小,除此之外，玻璃液的缺陷，如杂质，气泡等也显著影响,GF,的强度。,b.,弹性模量,(,刚性,),GF,的弹性模量小于金属合金。且其弹性模量与玻璃组成，结构密切相关。,GF,的弹性伸长率低，如,E,玻璃纤维仅,3%,左右，,S,玻璃纤维,5.4%,，这说明,GF,只存在弹性变形，是,完全弹性体,，拉伸时，不存在屈服点。,3),耐磨性、耐折性,(,柔性,),GF,的耐磨性,：,指,GF,抵抗摩擦的能力；,GF,的耐折性,：,指纤维抵抗折断的能力。,GF,的耐磨性、耐折性都很差。,GF,的柔性,：,一般以弯曲半径来表征。弯曲半径越小，说明,GF,的柔性越好。,4),耐热性,与有机纤维比，,GF,是有很高的耐热性，因为,GF,的软化点达,500-750,，而尼龙为,230-250,，聚苯乙烯（,PS,）为,88-110,。,且,GF,在小于,500,下使用，强度不损失。但如果加热到,250,以上再冷却,(,热处理,),，则强度明显下降。如经,600-700,热处理后，其强度只有原始的,20-30%,。,5,）,GF,的化学性质,GF,与,Glass,相比，由于具有较大的比表面积，因此受介质侵蚀度剧烈。,GF,对除,HF,、浓碱、,H,3,PO,4,以外的化学药品及有机溶剂具有良好的化学稳定性。,影响,GF,化学稳定性的因素：,a.,玻璃纤维的化学组成,无碱玻纤：耐酸性差，耐水性较好,中碱玻纤：耐酸性好，耐水性差,b,温度,在,100,以下，温度每升高,10,，纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加,50,100,。,温度升高到,100,以上时，破坏作用更加剧烈。,6.1.4 GF,的生产工艺,1),坩埚拉丝,陶土坩埚拉丝,：比较原始，已于,1999,年淘汰,金铂坩埚拉丝,：坩埚：铂铑合金,代铂坩埚拉丝,：是我国自行研究开发的一种新工艺。,坩埚：,锅身：耐火硅材；漏板：铂铑合金,2),池窑拉丝,池窑拉丝是生产玻璃纤维的先进工艺，规模及生产能力远远大于坩埚拉丝。,我国在,1990,年才有第一座从国外引进的年产,4000,吨无碱玻璃纤维池窑拉丝投产，其生产能力不足当年全国产量的百分之五。,池窑拉丝法的特点,：,不经制球、坩埚再熔工序。,工序简化，原丝质量好。,玻璃熔量大，产量高,(,可以实现,1600,孔，,2000,孔，更多孔的大漏板拉丝,),。,6.1.5 GF,的表面处理,1,）浸润剂,a.,浸润剂的作用,润滑,保护作用,粘结,集束作用,防止,GF,表面静电荷的积累,使,GF,获得与基体树脂有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能,b.,浸润剂的分类,增强型浸润剂,增强型浸润剂的主要成分,：,偶联剂,纺织型浸润剂,目的,：满足纺织工序的要求，该浸润剂能使,GF,具有良好的拉丝，加捻，合股，整经，织造等纺织加工性能。,缺点,：由于浸润剂中的成分影响了纤维与基体之间的粘合，因此需通过热清洗及后处理工艺，将,GF,表面的浸润剂除去，再经偶联剂处理后方可使用。,2,）表面处理剂,又称为,偶联剂,，,架桥剂,，是一种能够改变,GF,增强,CM,界面能的化合物。即使其用量很低,(,在,GF,上约为,0.05-0.2%),，也会改善,GF,与基体的界面状态，可提高,CM,的强度、耐水性、耐老化性及使用寿命。,a.,偶联剂的分类,二种基团：一种可与,GF,表面结合，另一种可与基体通过物理或化学作用相结合。,偶联剂主要可分为以下几大类：,硅烷偶联剂,有机铬偶联剂,(,沃兰,),钛酸酯类偶联剂,其他偶联剂,硅烷偶联剂,通式可写为：,R,n,SiX,4-n,其中：,R,为有机功能基团，如,-NH,2,，,-SH,等,X,为易水解基团，水解后,(,一般为,-,OH,),可与,GF,作用,n,多数为,1,偶联机理如下：,硅烷偶联剂水解,三醇基硅烷与,GF,表面的,-OH,形成氢键,GF,在烘干过程中，硅烷偶联剂与,GF,表面以氢键形式结合的,-OH,，在高温下发生醚化反应，脱去,1,分子水形成醚键，以形成的共价键结合。,有机铬偶联剂,由不饱和有机酸与三价铬离子形成的金属铬络合物。,最常用的有机铬偶联剂：,甲基丙烯酸氯化铬络合物,(,沃兰,),钛酸酯类偶联剂,如钛酸正丁酯,其他偶联剂,锆类偶联剂,：,含铝酸锆的低分子量的无机聚合物。它不仅可以促进不同物质之间的粘合，而且可以改善复合材料体系的性能，特别是流变性能。该类偶联剂既适用于多种热固性树脂，也适用于多种热塑性树脂。,镁类偶联剂,锡类偶联剂,等,b.,偶联剂的作用,：,偶联作用,（,既能与玻璃纤维相连，又能与树脂间发生作用，从而增强界面的粘结）,保护作用,（保护玻璃纤维的表面，防止水分或其他有害介质侵入）,改善界面状态,（减少或消除界面弱点，改善界面状态，使应力有效传递）,改善复合材料的性能,（改善玻璃钢性能，如耐水性、耐化学腐蚀性、力学性能、耐热性等）,3,）,GF,纤维的表面处理方法,后处理法,前处理法,迁移法,后处理法,又称为普通处理法,特点,：,各道工序都需要专门设备，初投资较大；,GF,强度损失大，但处理效果较好，且稳定。,步骤,：,首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂。,然后再经表面处理剂溶液浸渍。,再经水洗、烘干等工艺,联合机组法处理玻璃纤维布的流程,热处理作用：去除浸润剂,烘焙作用：偶联剂与,GF,表面将发生偶联作用,影响处理效果的因素：,偶联剂用量,烘焙温度,烘焙时间,处理液的配制及使用,前处理法,特点：,可省去复杂的处理工艺及设备，使用方便；,避免了由于热处理造成的纤维强度的下降；,既满足了拉丝及纺织工序的要求，又满足了树脂基体,GF,的浸润、粘结等要求。,c.,迁移法,（,潜处理法）,将表面处理剂按一定比例加入到树脂胶液中，在浸胶的同时将处理剂作用在,GF,上。,特点,：,处理效果较后处理法差；,工艺操作简单，不需要复杂的处理设备,。,本章重点内容,玻璃纤维表面处理的作用（浸润剂、偶联剂）,玻璃纤维的拉丝方法,偶联剂的偶联机理,玻璃纤维表面处理的方法,