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, 廣泛應用于航空、 航天、 兵 器、 艦船、 化工等領域。目前, 主要高強度玻璃纖維有:美國的 “S -2” 、 日本的 “T” 纖維、 俄 羅斯的 “” 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

2、以 看出, 目前 我 國 性 能較高的 “H S-4” 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 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 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。Preparation of New High-Strength Glass Fiber andPerformance of Reinforce

3、d Epoxy Resin* 國 家高技術研究發(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 。 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 泛應用于航空、 航天、 兵器、 艦船、 化 工等領域, 如導彈發(fā)動機殼體、 宇航 飛機內襯、 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)領域的需 求量也在不斷擴大 1-2。76航空制造技術·2010 年第 17 期及浸膠紗強度及層間剪切

4、強度。(2 玻璃纖維新生態(tài)強度的檢 測。根據標準 A S T M D -2102, 取熔 制好的玻璃約 60g, 放入單孔鉑銠坩 堝內, 在 1440 1450下再熔融, 通過控制常規(guī)的玻璃纖維成型工藝 參數 (液面高度、 熱點溫度、 拉絲機轉 速等 , 拉制成直徑為 78m 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。 (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,

5、 勻速升溫, 激光位移感 應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 10m 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, 96條件下, 浸泡 24h, 過濾、 干燥, 測量其重量, 計算其 質量損失率。(5 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂浸 膠紗強度的檢測。根據標準 A S T M D2343, 將高強 度玻璃纖維無捻粗紗經過浸膠槽纏 繞在不銹鋼架上, 垂直放入烘箱進行 固化, 固化條件:100 2h+140 4h

6、, 取出固化好的浸膠紗樣條, 進行拉伸 強力測試和彈性模量測試。結果與分析1 玻 璃纖維新生態(tài)強度測試結果表 3是試驗樣品與對比樣品的 新生態(tài)強度數據。由表中數據可以 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 1510 1550溫度

7、范圍內, 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 定質量的玻璃置于單孔拉絲坩堝內, 調節(jié)玻璃液的溫度、 液面高度以及拉 絲機的轉速, 制備所需直徑的玻璃纖 維, 對玻璃纖維進行相關性能測試。 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

8、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有限公司, 型號:5105 測試玻璃纖維無捻粗紗的干紗強度“” 和日本 “T” 纖維相當, 但與 美國 “S-2” 玻璃纖維相比, 玻璃纖維 的新生態(tài)強度及復合材料力學性能 低 10%左 右, 軟化 點低 40 50, 在強度 、 耐熱等方面與國外同類產品 相比還存在一定差距, 難以滿足先進 復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 計 了 新 的 高 強 度 玻 璃 纖 維 成 分 (NE W H S , 采用該成分

9、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 S i O 2、 A l 2O 3、 M g O、 B 2O 3、 C e O 2、 L i 2C O 3、 F e 2O 3等原料皆為工業(yè)級原料 (其中 SiO 2為石英砂礦引入, 其余物質皆為 氧化物, 是化工原料 。 (2 高強度玻璃纖維的成分設 計。 新型高強度玻璃纖維的成分設 計配方方案 (NE W H S -1#4# , 如表 2010 年第 17 期·航空制造技術77次, 高于 HS2

10、、 HS4玻璃纖維。2 玻璃纖維耐溫性測試結果表 4中 有 試 驗 樣 品 與 對 比 樣 品 軟 化 點 數 據。 由 表 中 數 據 可 看 出, N E W H S 玻璃纖維的軟化點為 964 968, 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果表 4中 還 有 試 驗 樣 品 與 對 比 樣 品 的 耐 酸 性 數 據。 由 表 中 數據 可 以 看 出, N E W H S 玻 璃 纖 維在 10%的 H C l 中 的 質 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

11、S -2玻璃纖維相比, 本試驗樣品的耐酸性低。4 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂浸膠紗強 度測試結果表 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 模量數據。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

12、 E W -H S 三者的浸膠紗強度和彈性模量數 據相比較,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%、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 強度的關系。 5 討論與分析 設 計 的 新 型 高 強 度 玻璃纖維成分配方中, 以SiO 2、 Al 2O 3、 MgO 為主要成 分, 總含量為 96%98%, 比 原 H S2、 H S

13、4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含量的增加, 玻璃結構致密, 玻 璃纖維強度隨之提高, 但超過 25%以后由于 A l 2O 3配位數的改變, 反而 使玻璃結構松弛, 造成強度降低, 因 此本試驗設計 A l 2O 3的最高含量不超過 25%; M g O 是網絡外組分, 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 作為工程結構材料的, 而樹脂的力學 性能也是很差的, 只有把它們結合起 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 合 材 料 增強體的強度 增 加, 則 復 合 材料的強度增 加。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, 使玻璃纖維網絡結構更加 致密, 因此其拉伸強度比現(xiàn)有高強玻璃纖維產品增加,