玻璃纤维表面处理方法

点击数：828发布：2016-11-09　来源: 聚脲防腐_聚脲喷涂_聚脲防水_江苏申正建设工程有限公司

玻璃纤维表面处理方法
1.玻璃纤维表面预处理
通常，增强纤维的表面比较光滑。比面积小，表面能较低，具有活性的表面一般不超过总表面的10％，所以这类纤维较难通过化学的或物理的作用与基体形成牢固的结合。为了改进纤维与基体之间的界面结构，改善二者的复合性能，需要对增强纤维进行适当的表面处理。经过处理的纤维，可使纤维与基体两者牢固粘结犹如驾驭两者之间的无数微桥梁，沟通了性能各异的材料，使它们联合起来，协同作用。因此，对纤维进行表面处理是尤为重要的。所谓表面处理就是在增强纤维表面涂覆一种称为表面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂以及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体之间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料性能的目的。
(1)增强材料的表面特性
增强材料的表面特性一般指：表面的物理特性：包括表面微结构、比面积和形态结构；表面化学特性：包括表面化学组成、表面官能团和表面反应性；表面吉布斯自由能。
①增强材料的表面物理性。增强材料的表面微结构和形态结构，都属于表面形态，完全理想的光滑表面是不存在的。任何固体表面都覆盖着裂纹、空隙、空洞等。借助于光学和电子显微镜能够对各种增强材料表面形态进行观察，表面积包括内表面积和外表面积。根据粘结机理，表面积越大，纤维与基体间的粘结状况越好，而实际并非如此。实践证明，经表面处理后，
西安科技大学硕士学位论文一些纤维表面积变化不大，但复合材料的层剪切强度却有很大改掣。
②增强材料的表面化学性
增强材料的表面化学性，主要是指材料表面的化学组成和表面的反应活性。表面化学组成和官能团结构决定了纤维表面吉布斯自由能的大小和表面反应性，这决定着纤维使用时要不要进行表面处理，纤维和树脂能否形成化学结合，表面是否易于与环境发生反应等问题。
③增强材料的表面吉布斯自由能
增强材料与基体能够粘结的重要条件是两者紧密接触，相互之间完全润湿，这取决于它们的表面吉布斯自由能，即表面张力。当固体的表面张力大于液体的表面张力时，液体可以润湿固体。碳纤维具有明显的氧化表面，有利于形成高吉布斯自由能的表面，若表面被污染，则会降低表面自由能，影响极性基体对他们的润湿，如玻璃纤维表面上吸附的单分子层水，会影响极性基体对其表面的润湿。
(2)玻璃纤维的表面处理工艺
玻璃纤维的主要成分是硅酸盐，与高聚物的界面粘合性不好。玻璃纤维和基体之间的粘结性能取决于增强材料的表面组成、结构与性质。粘结对复合材料的性质有重要的影响。为了提高基体与玻璃纤维之间的粘结性能，可采用表面处理剂对纤维表面进行化学处理。所谓表面处理剂是这样一类物质，它的分子在化学结构上至少带有两类反应性基团：一类官能团与玻璃纤维表面的一Si—oH发生反应而与之结合；另一类官能团能够参与树脂的固体反应而与之结合。这样的处理剂就像“桥”一样，将玻璃纤维与树脂连成一体，从而获得良好的粘结性能，因此，也称为偶联剂。
①脱蜡处理
玻璃纤维为了在拉丝纺织中达到集束、润湿和清除静电吸附等目的，在拉丝过程中，在单丝上涂上了一层纺织型浸润剂。浸润剂是一种石蜡乳剂，它残留在纤维表面上，妨碍了纤维与基体之间的粘结，从而降低了复合材料的性能。为此在与基体复合之前，必须将上述浸润剂清除掉。浸润剂除去的程度用残留量来表示，它是指玻璃纤维织物上残留的蜡等物质质量分数。除去浸润剂的方法，主要有洗涤法和热处理法两种。洗涤法就是针对浸润剂的组成，采用碱液、肥皂水、有机溶剂等溶解和洗去浸润剂的方法。经化学洗涤后，玻璃布上的残留量可以低到0．3％～0．5％。热处理法就是利用加热的方式，使玻璃纤维及织物表面上涂覆的浸润剂，经挥发、碳化、灼热而去除。按加热温度高低，热处理法分为低温(250℃"-'300℃)、中温(300℃～450℃)、和高温(大于450℃)热处理。热处理温度越高，时间越长，浸润剂残留量就越小，强度下降也越大。在500℃下处理lmin时，强度下降40％'---'50％。
②化学处理

所谓化学处理，即是采用偶联剂处理玻璃纤维，使纤维与基体之间形成化学键，获得良好的粘结性能，并有效的降低水的侵蚀。

(3)玻璃纤维表面处理方法
用偶联剂处理玻璃纤维表面，采用的工艺方法主要有三种：前处理法、后处理法、迁移法。
 前处理法：在玻璃纤维抽丝过程中，采用增强型浸润剂涂覆玻璃纤维的方法。这种浸润剂中由于加入了偶联剂，因此既满足了纺织工艺的要求，又不妨碍纤维与树脂的浸润和粘结。同时，偶联剂在拉丝过程中就被覆盖到了玻璃纤维表面上。采用这种方法处理的玻璃布叫前处理布，这种布在用于制作玻璃钢时，不需要再进行任何处理。这种方法比后处理法简单，且避免了因热处理而造成的纤维强度损失。后处理法：又叫普通处理法，这种方法分两步进行，先除掉拉丝过程中涂敷在玻璃表面的纺织型浸润剂，再浸渍偶联剂。使用纺织型浸润剂，再浸渍偶联剂，水洗，烘干，使玻璃表面涂覆一层偶联剂。使用纺织型浸润剂的玻璃纤维均采用后处理法。
迁移法：又称为潜处理法，是将偶联剂直接加到树脂胶液中，玻璃纤维在浸胶的同时，就被覆了偶联剂。偶联剂在树脂胶液中将发生向玻璃纤维表面的迁移作用，进而与玻璃纤维表面发生反应，从而产生偶联作用。迁移法的处理效果一般比前两种方法差一些。但其最大的优点是工艺操作简单，不需要复杂的处理设备。在玻璃纤维处理工艺的选择上，采用化学处理法使用硅烷偶联剂对玻璃纤维表面进行预处理，处理方法则采用操作工艺最为简单的迁移法。
(4)硅烷偶联剂对玻璃纤维性能的影响
界面对复合材料的性能尤其是力学性能起着很重要的作用。玻璃纤维的韧性差，如果界面很脆，断裂应变很小而强度较大，则纤维的断裂可能引起裂纹沿垂直于纤维方向扩展，诱发相邻纤维相继断裂，因此，这种复合材料的韧性很差。但是，如果界面结合强度较低，则纤维断裂引起的裂纹可以改变方向而沿界面扩展，遇到纤维缺陷或薄弱环节时裂纹再次穿过纤维，继续沿界面扩展，形成曲折的路径，这就需要较多的断裂功。硅烷偶联剂中的活性官能团，可以使纤维与基体之间形成化学键，获得良好的粘结性能，从而增强纤维与基体之间的界面能。界面结合越完善、越牢固越好，横向和层间的拉伸强度、剪切强度、拉伸模量和剪切模量就越高。本课题通过实验证明了上述说法，实验过程如下将长径比为1000左右，长度为0．3mm'--0．5mm的玻璃纤维粉，
由于玻璃表面存在大量不规则分布的微裂纹，当玻璃纤维受到外力作用时，在微裂纹处很容易形成应力集中从而发生断裂现象。而硅烷偶联剂的加入，可以部分填补微裂纹，有效地防止应力集中，在一定程度上，也提高了其拉伸强度。

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