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1、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
2、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（Sglass）；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
3、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
4、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
5、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SiO2、Be2O3、CaO、Al2O3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SiO2为主称硅酸盐玻璃以Be2O3为主称硼酸盐玻璃以P2O5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
6、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3；含有大量重金属氧化物的高模GF，密度可达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：
7、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230-25
8、0，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、H3PO4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50100。温度升高到100以上时，破坏作用更加剧烈。,6.1.4
9、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
10、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
11、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：RnSiX4-n 其中：R为有机功能基团，如-NH2，-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
12、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
13、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,
