玻璃纖維介紹.ppt

1、第三部分 復(fù)合材料的增強材料,增強材料的作用： 承受外界施加載荷，提高樹脂基體的力學(xué)性能。還可提高耐熱性，降低收縮率，以及賦予一些功能性（如磁學(xué)、電學(xué)等功能，功能體） 增強材料的外觀形狀： 纖維狀：增強作用最明顯，應(yīng)用最廣 片狀 顆粒狀,6.1 GF及其制品 6.1.1 GF的分類 1）以玻璃原料成分分類（用于連續(xù)GF的分類） 一般以不同的堿金屬氧化物含量來區(qū)分。 無堿玻璃纖維（E玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量0.05% 化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性能、強度好 主要用作電絕緣材料、玻璃鋼的增強材料等,第六章 玻璃纖維及其制品,中堿玻璃纖維（C玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量11.5-12.5% 含堿量高，不

2、能用作電絕緣材料，但其化學(xué)穩(wěn)定性和強度尚好。 一般用作乳膠布、方格布基材、酸性過濾布、窗紗基材等，也可作對電性能和強度要求不很嚴格的玻璃鋼增強材料。 成本較低，用途較廣。,高堿玻璃纖維（A玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量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纖維均屬此類。 可用作蓄電瓶的隔離片、管道包扎布和氈片等防水、防潮材料。,特種玻璃纖維 由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維（Sglass）； 鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維； 硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)腐蝕玻璃纖維； 含鉛纖維； 高硅氧纖維； 石英纖維等。,堿金屬氧化物：一般指氧化鈉、氧化鉀。 堿金屬氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是

3、降低玻璃的熔點。 堿金屬氧化物含量越高，玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性能、強度都會相應(yīng)下降。,2）以單絲直徑分類 粗 纖 維：單絲直徑一般為30um 初級纖維：單絲直徑大于20um； 中級纖維：單絲直徑10-20um 高級纖維：（紡織纖維）其單絲直徑3-10um。 超細纖維：單絲直徑小于4um。 一般：5-10um的纖維作為紡織制品用； 10-14um的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。,3）按纖維性能分類 這是一類為適應(yīng)特殊使用要求，新發(fā)展起來的，纖維本身具有某些特殊優(yōu)異性能的新型玻璃纖維，大致可分為： 高強玻璃纖維； 高模量玻璃纖維； 耐高溫玻璃纖維； 耐堿玻璃纖維； 耐酸

4、玻璃纖維； 普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）； 光學(xué)纖維； 低介電常數(shù)玻璃纖維； 導(dǎo)電纖維 等,6.1.2 GF的結(jié)構(gòu)及組成 1）GF的特點 玻璃：無規(guī)則的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，近程有序，遠程無序 玻璃的共性： 各向同性 無固定熔點 亞穩(wěn)定性 性質(zhì)變化的連續(xù)性，可逆性,亞穩(wěn)定性 玻璃是由熔融液體過冷得到的，在冷卻過程中粘度急劇提高，質(zhì)點來不及做有規(guī)則的排列而形成晶體，沒有釋放出結(jié)晶潛熱(凝固熱)。所以玻璃態(tài)物質(zhì)比相應(yīng)的結(jié)晶態(tài)物質(zhì)具有較大的能量，不是處于能量最低的穩(wěn)定態(tài)，而屬于亞穩(wěn)態(tài)。,性質(zhì)變化的連續(xù)性、可逆性： 玻璃在由熔融態(tài)冷卻或加熱過程中，其物理化學(xué)性質(zhì)變化是逐漸、連續(xù)的變化，而且是可逆的。,2

5、）GF的結(jié)構(gòu) 關(guān)于GF的結(jié)構(gòu)有兩種學(xué)說： 無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：硅氧四面體，鋁氧三面體，硼氧三面體相互連成不規(guī)則的三維結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Ca、Na、K、Mg等陽離子所填充。 微晶學(xué)說：玻璃由硅酸塊或二氧化硅的微晶子組成，在微晶子之間由硅酸塊過冷溶液填充。,3）GF的化學(xué)組成 玻璃纖維的化學(xué)組成主要有SiO2、Be2O3、CaO、Al2O3等。這些物質(zhì)對玻璃纖維的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝起決定性作用。 以SiO2為主稱硅酸鹽玻璃 以Be2O3為主稱硼酸鹽玻璃 以P2O5為主稱磷酸鹽玻璃 除主要成分以外，尚須加入其他的氧化物等。各種氧化物在玻璃中的作用是比較復(fù)雜的。,6.1.3 GF的性能 1)物理性能 a.

6、外觀：光滑，圓柱形。纖維之間抱合力小，影響了與樹脂的復(fù)合效果。但光滑表面對氣體和液體通過的阻力小，所以制作過濾材料較理想。 b. 密度：2.5左右，主要取決于玻璃的成分。某些特種玻璃，如石英玻璃纖維，高硅氧玻璃纖維等，其密度較低，僅為2.0-2.2g/cm3；含有大量重金屬氧化物的高模GF，密度可達2.7-2.9g/cm3。,2)力學(xué)性能 a. 拉伸強度 GF的拉伸強度比玻璃高幾十倍？ 微裂紋假說： 玻璃結(jié)構(gòu)的不均勻性，使玻璃易產(chǎn)生微裂紋，外力作用下，形成應(yīng)力集中點。玻璃纖維，更多地保留著高溫熔體的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)均一性提高)，微裂紋產(chǎn)生機會減少，且GF截面小，所以表面微裂紋比塊狀玻璃少。,影響玻璃

7、纖維強度的因素： 纖維直徑和長度：直徑越小，長度越小，強度越大； 化學(xué)組成：含堿量越大，強度越??； 存放時間：存放時間越長，強度越小(空氣中水分的侵蝕) 施加負荷時間：施加負荷時間越長，強度越小 除此之外，玻璃液的缺陷，如雜質(zhì)，氣泡等也顯著影響GF的強度。,b. 彈性模量(剛性) GF的彈性模量小于金屬合金。且其彈性模量與玻璃組成，結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 GF的彈性伸長率低，如E玻璃纖維僅3%左右，S玻璃纖維5.4%，這說明GF只存在彈性變形，是完全彈性體，拉伸時，不存在屈服點。,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：指纖維抵抗折斷的能力。 GF的耐磨性、耐

8、折性都很差。 GF的柔性：一般以彎曲半徑來表征。彎曲半徑越小，說明GF的柔性越好。,4) 耐熱性 與有機纖維比，GF是有很高的耐熱性，因為GF的軟化點達500-750，而尼龍為230-250，聚苯乙烯（PS）為88-110。 且GF在小于500下使用，強度不損失。但如果加熱到250以上再冷卻(熱處理)，則強度明顯下降。如經(jīng)600-700熱處理后，其強度只有原始的20-30%。,5）GF的化學(xué)性質(zhì) GF與Glass相比，由于具有較大的比表面積，因此受介質(zhì)侵蝕度劇烈。 GF對除HF、濃堿、H3PO4以外的化學(xué)藥品及有機溶劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。,影響GF化學(xué)穩(wěn)定性的因素： a. 玻璃纖維的化學(xué)組成

9、 無堿玻纖：耐酸性差，耐水性較好 中堿玻纖：耐酸性好，耐水性差 b溫度 在100以下，溫度每升高10，纖維在介質(zhì)侵蝕下的破壞速度增加50100。 溫度升高到100以上時，破壞作用更加劇烈。,6.1.4 GF的生產(chǎn)工藝 1)坩堝拉絲 陶土坩堝拉絲：比較原始，已于1999年淘汰 金鉑坩堝拉絲：坩堝：鉑銠合金 代鉑坩堝拉絲：是我國自行研究開發(fā)的一種新工藝。 坩堝：鍋身：耐火硅材；漏板：鉑銠合金,2)池窯拉絲 池窯拉絲是生產(chǎn)玻璃纖維的先進工藝，規(guī)模及生產(chǎn)能力遠遠大于坩堝拉絲。 我國在1990年才有第一座從國外引進的年產(chǎn)4000噸無堿玻璃纖維池窯拉絲投產(chǎn)，其生產(chǎn)能力不足當年全國產(chǎn)量的百分之五。,池窯拉絲

10、法的特點： 不經(jīng)制球、坩堝再熔工序。 工序簡化，原絲質(zhì)量好。 玻璃熔量大，產(chǎn)量高(可以實現(xiàn)1600孔，2000孔，更多孔的大漏板拉絲)。,6.1.5 GF的表面處理 1）浸潤劑 a.浸潤劑的作用 潤滑保護作用 粘結(jié)集束作用 防止GF表面靜電荷的積累 使GF獲得與基體樹脂有良好的相容性及界面化學(xué)結(jié)合或化學(xué)吸附等性能,b.浸潤劑的分類 增強型浸潤劑 增強型浸潤劑的主要成分：偶聯(lián)劑 紡織型浸潤劑 目的：滿足紡織工序的要求，該浸潤劑能使GF具有良好的拉絲，加捻，合股，整經(jīng)，織造等紡織加工性能。 缺點：由于浸潤劑中的成分影響了纖維與基體之間的粘合，因此需通過熱清洗及后處理工藝，將GF表面的浸潤劑除去，再

11、經(jīng)偶聯(lián)劑處理后方可使用。,2）表面處理劑 又稱為偶聯(lián)劑，架橋劑，是一種能夠改變GF增強CM界面能的化合物。即使其用量很低(在GF上約為0.05-0.2%)，也會改善GF與基體的界面狀態(tài)，可提高CM的強度、耐水性、耐老化性及使用壽命。 a.偶聯(lián)劑的分類 二種基團：一種可與GF表面結(jié)合，另一種可與基體通過物理或化學(xué)作用相結(jié)合。,偶聯(lián)劑主要可分為以下幾大類： 硅烷偶聯(lián)劑 有機鉻偶聯(lián)劑(沃蘭) 鈦酸酯類偶聯(lián)劑 其他偶聯(lián)劑,硅烷偶聯(lián)劑 通式可寫為：RnSiX4-n 其中：R為有機功能基團，如-NH2，-SH等 X為易水解基團，水解后(一般為-OH)可與GF作用 n多數(shù)為1,偶聯(lián)機理如下： 硅烷偶聯(lián)劑水解

12、 三醇基硅烷與GF表面的-OH形成氫鍵 GF在烘干過程中，硅烷偶聯(lián)劑與GF表面以氫鍵形式結(jié)合的-OH，在高溫下發(fā)生醚化反應(yīng)，脫去1分子水形成醚鍵，以形成的共價鍵結(jié)合。,有機鉻偶聯(lián)劑 由不飽和有機酸與三價鉻離子形成的金屬鉻絡(luò)合物。 最常用的有機鉻偶聯(lián)劑： 甲基丙烯酸氯化鉻絡(luò)合物(沃蘭),鈦酸酯類偶聯(lián)劑 如鈦酸正丁酯,其他偶聯(lián)劑 鋯類偶聯(lián)劑：含鋁酸鋯的低分子量的無機聚合物。它不僅可以促進不同物質(zhì)之間的粘合，而且可以改善復(fù)合材料體系的性能，特別是流變性能。該類偶聯(lián)劑既適用于多種熱固性樹脂，也適用于多種熱塑性樹脂。 鎂類偶聯(lián)劑 錫類偶聯(lián)劑 等,b.偶聯(lián)劑的作用： 偶聯(lián)作用（既能與玻璃纖維相連，又能與樹

13、脂間發(fā)生作用，從而增強界面的粘結(jié)） 保護作用（保護玻璃纖維的表面，防止水分或其他有害介質(zhì)侵入） 改善界面狀態(tài)（減少或消除界面弱點，改善界面狀態(tài)，使應(yīng)力有效傳遞） 改善復(fù)合材料的性能（改善玻璃鋼性能，如耐水性、耐化學(xué)腐蝕性、力學(xué)性能、耐熱性等）,3）GF纖維的表面處理方法 后處理法 前處理法 遷移法,后處理法 又稱為普通處理法 特點： 各道工序都需要專門設(shè)備，初投資較大； GF強度損失大，但處理效果較好，且穩(wěn)定。 步驟： 首先除去玻璃纖維表面的紡織型浸潤劑。 然后再經(jīng)表面處理劑溶液浸漬。 再經(jīng)水洗、烘干等工藝,聯(lián)合機組法處理玻璃纖維布的流程,熱處理作用：去除浸潤劑,烘焙作用：偶聯(lián)劑與GF表面將發(fā)生偶聯(lián)作用,影響處理效果的因素： 偶聯(lián)劑用量 烘焙溫度 烘焙時間 處理液的配制及使用,前處理法 特點： 可省去復(fù)雜的處理工藝及設(shè)