玻璃纤维直径对强度的影响.doc

玻璃纤维直径对纤维强度及复合材料强度影响的研究

来源:中国化工信息网 2007年3月15日

0 前言
玻璃纤维是玻璃制品中的一种，它是将高温熔融状态下的玻璃液，经漏嘴流出，在漏嘴出口处施加高速向下的拉引力，玻璃液被拉伸并冷却固化成为很细的纤维，通常直径为5-30μm。玻璃纤维具有许多优良性能，用途也相当广泛，一直是用量最大用途最广的非金属增强材料。随着玻璃纤维工业的迅速发展，应用迅速扩大，对于玻璃纤维性能的研究也相当多，但是一直以来存在这样一个误区，认为纤维直径越细，纤维的强度越高，制成的复合材料的强度也越高。但大量的事实证明，并非如此，因此有必要对玻璃纤维制品的性能及纤维直径对复合材料强度的影响进行研究。
玻璃纤维只是作为一种过渡性产品，并不能完全决定复合材料的最终强度。也就是说，纤维的强度高并不能就可以说明玻璃钢复合材料的强度就越高。由于单质材料转化为复合材料，目的在于取得单质材料所没有的性能和经济效益，因此研究复合材料的性能，不仅在于原材料、复合过程和复合结构，更重要的要看最后的复合效果。这将有利于指导玻璃纤维制品的发展方向，从而可以改善过去着重于生产小直径玻璃纤维的生产状况，转向注重粗纤维产品的生产，这将大大提高生产效率以及经济效益。不仅如此，同时也提高了复合材料的生产效益，尤其是大结构复合材料的生产效率，比如缠绕管、冷却塔、贮罐等。
1 实验部分
1.1 原材料及制备工艺
1.1.1 原材料
玻璃纤维：统一采用山东泰山复合材料有限公司池窑拉丝工艺生产的无碱玻璃纤维，其化学成分相同，所用的浸润剂也相同。其中直径分别有30μm，24μm，15μm，14μm，11μm，8μm。
树脂：制聚酯棒试样的树脂为南京费隆复合材料有限公司生产的S-583通用型不饱和聚酯树脂。
1.1.2 聚酯棒制备工艺
将玻璃纤维无捻粗纱束浸入配制好的树脂中，待完全浸渍后用金属丝将无捻粗纱束向上垂直牵引到模具中，当玻璃纤维无捻粗纱的下端进入模具口几毫米处时，用塑料或软木塞封住模具，以防树脂外溢，然后按树脂系统规定的固化条件固化，制备足够数量弯曲试样。
1.2 实验方法及仪器
1.2.1 玻璃纤维直径
用放大倍数为800-1000倍的显微镜测定，依据GB/T 7690.3纵向法进行。
1.2.2 单丝拉伸强度
用日本UTM-Ⅱ-20单丝拉伸强力试验机测玻璃纤维单丝的拉伸强度。
1.2.3 聚酯棒弯曲强度
用长春试验机研究所研制的电子万能试验机测定，依据GB/T 1449进行。
2 实验结果与讨论
2.1 玻璃纤维直径与单丝拉伸强度的关系
玻璃纤维单丝拉伸强度试验结果见表1及图1(略)。
表1 不同直径的纤维强度
平均直径/μm
13.6
15.3
24.4
29.8
平均强度/MPa
2.52×103
2.48×103
2.04×103
1.81×103
由于纤维的内部和外部均存在微裂纹，纤维越粗，表面积越大，出现裂纹的几率越大。当施加外力时，最薄弱区裂纹迅速扩展直至纤维断裂，纤维直径粗表面积大就大大增加了纤维断裂的可能性，因此纤维直径越细纤维的强度越高。
玻璃微裂纹的产生原因，最重要条件是玻璃中存在缺陷，主要是结构不均一性。玻璃中存在着有序区、微晶子、化合物、近程有序的集合体等等都构成了玻璃的不均一性，玻璃中存在着弱键，构成了产生大小不同的微裂纹的有利条件。当施加外力时，微不均匀处及薄弱区首先破裂，便形成了裂纹的胚胎。
玻璃液中的缺陷又增大了玻璃的不均一性，因而导致纤维的强度大大降低。拉丝作业中不可避免地要形成表面裂纹，因为丝根冷却是一个渐变过程。在拉丝力作用下，每根纤维都受到一定的应力，这种应力作用于先硬化的纤维外壳时就产生表面裂纹。
2.2 玻璃纤维直径对聚酯棒弯曲强度的影响
聚酯棒弯曲强度试验结果见表2及图2(略)。
2.2.1 影响聚酯棒弯曲强度的主要因素
2.2.1.1 从化学键理论分析
该理论认为基体表面上的官能团与纤维表面上的官能团起化学反应，因此基体与纤维间产生化学键而结合，形成界面，也称为“偶联理论”。由于在拉丝过程中，玻璃纤维表面都涂有增强型浸润剂，使玻璃纤维与基体之间有良好的粘结性，主要是偶联剂的作用。一方面，从成键的几率上分析看，玻璃纤维比表面积大，偶联剂与基体成键的几率就越大。不仅仅如此，对于含有多个官能团的偶联剂分子来说，所有的官能团能否与基体的官能团反应成键，即有效成键数目的多少将大大影响聚酯棒的强度。另一方面，基体(树脂)的分子中也同样含有多个官能团，如果树脂分子中的多个官能团或者使较长的链段能与偶联剂结合成键，那么也将会提高聚酯棒的强度。
表2 不同纤维直径的聚酯棒强度
纤维直径/μm
23
1l
8
弯曲强度/MPa(干态)
1070
921
848
弯曲强度/MPa(湿态)
984
821
745
2.2.1.2 从浸润理论分析
如果认为两组分能完全浸润，则树脂在高能表面的物理吸附所提供的粘结强度，将大大超过树脂的内聚强度。玻璃纤维与树脂的结合模式属于机械粘结与润湿吸附。机械粘结模式是一种机械铰合现象，即树脂固化后，大分子进入纤维的孔隙和不平的凹陷之中形成机械铰连；物理吸附主要是范德华力的作用，使两项间进行粘附。这两种作用的同时存在也提高了聚酯棒的强度。
2.2.1.3 从摩擦理论分析
对于基体与玻璃纤维表面的界面，粘结摩擦作用也有很大的影响，基体与玻璃纤维表面的摩擦系数决定了复合材料的强度。处理剂的作用在于增加了基体与玻璃纤维表面的摩擦系数，从而使复合材料的强度提高。水等低分子物质浸入后，复合材料的强度下降，但干燥后强度又能部分恢复。这是由于水进入界面后，基体与增强材料间的摩擦系数减小，界面传递应力的能力减弱，故强度降低，而干燥后界面的水减少，基体与玻璃纤维间的摩擦系数增大，传递应力的能力增加，故强度部分恢复。
2.2.1.4 张力的影响
由于纤维都是以纤维束的形式存在，而且纤维通常还需要加捻合股等工序，在纤维束中就很可能存在纤维的长短不匀的现象，造成了纤维的张力不均，即在纤维受力时并不是所有的纤维都起到了作用，这也降低了聚酯棒的强度。
2.2.1.5 聚酯棒在干态和湿态下弯曲强度的比较与分析
由于湿度对于玻璃钢的性能影响比较大，而在很多的应用上其环境的湿度都是比较大的，所以也有必要研究玻璃钢在湿态下的性能。
从试验的数据结果显示来看，聚酯棒在干态下的弯曲强度要比在湿态的弯曲强度高100MPa左右，因此如何采取有效的方法防止玻璃钢在湿态下强度的降低，还有待进一步研究。以下是对两种情况下玻璃钢性能的分析，即水对玻璃钢破坏的分析。
清洁的玻璃纤维表面吸附水的能力很强，并且纤维表面与水分子之间的作用力，通过已吸附的水膜传递，所以玻璃纤维表面对水的吸附是多层吸附，形成较厚的水膜，因此这就很大程度上影响了玻璃纤维与树脂的粘结。
玻璃纤维复合材料表面上吸附的水浸入界面后，发生水和玻璃纤维及树脂间的化学变化，引起界面粘结破坏，致使复合材料破坏。
复合材料吸附的水进入界面的途径，一是通过工艺过程中在复合材料内部形成的气泡，这些气泡在应力作用下破坏，形成互相串通的通道，水很容易沿通道到达很深的部位；另一条是树脂内存在的杂质，尤其是水溶性无机物杂质，遇到水时，因渗透压的作用形成高压区，这些高压区将产生微裂纹，水继续沿微裂纹浸入。此外复合材料制备过程中所产生的附加应力，也会在复合材料内部形成微裂纹，水也能沿着这些裂纹浸入。
进入界面的水，首先是使树脂溶胀，溶胀致使界面上产生横向拉伸应力。这种应力超过树脂与玻璃纤维间的粘结强度时，则界面粘结发生破坏，因此，复合材料的强度会很快降低甚至完全破坏。
3 结论
(1)纤维的直径越细纤维的强度越高。
(2)不同直径的纤维所制得的聚酯棒弯曲强度，纤维越细聚酯棒的强度越低，但是变化不是很大。这主要是树脂对纤维的微裂纹进行了很好的修补，因此纤维直径的粗细对复合材料的强度并没有多大的影响。
(3)聚酯棒在湿态和干态下的弯曲强度均相差100MPa，说明湿度对复合材料的强度影响比较大，有待进一步提高在湿态下的强度。