新型高強(qiáng)度玻璃纖維制備及其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂性能

1、2010年第17期航空制造技術(shù)75新型高強(qiáng)度玻璃纖維制備及其增強(qiáng)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(qiáng)度玻璃纖維與普通無堿玻璃纖維相比具有拉伸強(qiáng)度高、彈性模量高、抗沖擊性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗疲勞性好、耐高溫等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、化工等領(lǐng)域。目前，主要高強(qiáng)度玻璃纖維有：美國的“S2”、日本的“T”纖維、俄羅斯的“BMJt千維、法國的“R纖維和中國的“HS系列纖維3-6。表1是不同牌號高強(qiáng)度玻璃纖維的性能比較,同時與E-glass纖維作對比。從表1可以看出，目前我國性能較高的“H-4”玻璃纖維，其力學(xué)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(xué)國

2、家特種超細(xì)粉體研究中心，獲工學(xué)博士學(xué)位。20082010年,南京玻璃纖維研究設(shè)計院博士后、高級工程師，江蘇省顆粒學(xué)會理事。主持國防軍品配套、江蘇省自然科學(xué)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。PreparationofNewHigh-StrengthGlassFiberandPerformanceofReinforcedEpoxyResin*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計戈U資助項目（2007AA03Z549;江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK2009488的號HS2MS1S-2RTUMnE=n&5工斷生生胃度30201600L5

3、00“監(jiān)901100165000*50003U5彈性棋量/GFaH29昭1SI小983B8k39501，浸暇紗演度*Fa26003100350（門900刈00-3箱0-33002100高強(qiáng)度玻璃纖維與普通無堿玻璃纖維相比具有拉伸強(qiáng)度高、彈性模量高、抗沖擊性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗疲勞性好、耐高溫等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、化工等領(lǐng)域，如導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體、宇航飛機(jī)內(nèi)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(qiáng)度玻璃纖維在各工業(yè)領(lǐng)域的需求量也在不斷擴(kuò)大1-2076航空制造技術(shù)2010年第17期及浸膠紗強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度。（2玻璃纖維新生態(tài)強(qiáng)度的檢測。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM

4、D-2102,取熔制好的玻璃約60g,放入單孔柏銘培竭內(nèi)，在1440c1450c下再熔融，通過控制常規(guī)的玻璃纖維成型工藝參數(shù)（液面高度、熱點溫度、拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速等，拉制成直徑為78仙m的連續(xù)玻璃纖維，采用強(qiáng)力測試機(jī)測試其新生態(tài)強(qiáng)度，測試環(huán)境濕度必須控制在規(guī)定范圍內(nèi)。（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ASTMC-338測試，勻速升溫，激光位移感應(yīng)器記錄玻璃伸長速率，當(dāng)伸長率達(dá)到1mm/min時，此時對應(yīng)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

5、用直徑為10pm&右、長度為6cm、表面積為2500cm2的玻璃纖維于150mL,10%HCl溶液中,96c條彳下,浸泡24h,過濾、干燥,測量其重量，計算其質(zhì)量損失率。(5玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂浸膠紗強(qiáng)度的檢測。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD2343,將高強(qiáng)度玻璃纖維無捻粗紗經(jīng)過浸膠槽纏繞在不銹鋼架上，垂直放入烘箱進(jìn)行固化，固化條件:100C2h+140c4h,取出固化好的浸膠紗樣條，進(jìn)行拉伸強(qiáng)力測試和彈性模量測試。結(jié)果與分析1玻璃纖維新生態(tài)強(qiáng)度測試結(jié)果表3是試驗樣品與對比樣品的新生態(tài)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出，NEWHS玻璃纖維新生態(tài)強(qiáng)度為46004800Mpa,與美國S-2玻璃纖維的新生態(tài)強(qiáng)

6、度基本處于同一檔2所示。與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品HS2、HS4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(xué)組成計算出各種原料所需用量，準(zhǔn)確稱量后混合均勻配制成配合料,置于熔制玻璃用鋁銘培鍋中，在1510C1550c溫度范圍內(nèi)，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(zhì)量的玻璃置于單孔拉絲地竭內(nèi)，調(diào)節(jié)玻璃液的溫度、液面高度以及拉絲機(jī)的轉(zhuǎn)速，制備所需直徑的玻璃纖維,對玻璃纖維進(jìn)行相關(guān)性能測試。2樣品的性能及表征(1儀器。熔制玻璃用雙格柏銘培竭和單孔拉絲地竭均為中材科技自行研究設(shè)計、制造;采用強(qiáng)力測試機(jī)測試玻璃纖維的

7、新生態(tài)強(qiáng)度，采用玻璃纖維軟化點測試儀（中國湘潭，型號PCY-SP1100進(jìn)行測量玻璃纖維的軟化點；采用高精度顯微鏡（意大利，型號Microclor250B測試玻璃纖維直徑。采用電子萬能試驗機(jī)（深圳市三思計算機(jī)技術(shù)有限公司，型號：5105測試玻璃纖維無捻粗紗的干紗強(qiáng)度“BM郊口日本"T'纖維相當(dāng)，但與美國“-2”玻璃纖維相比，玻璃纖維的新生態(tài)強(qiáng)度及復(fù)合材料力學(xué)性能低10%左右，軟化點低40C50c,在強(qiáng)度、耐熱等方面與國外同類產(chǎn)品相比還存在一定差距，難以滿足先進(jìn)復(fù)合材料對增強(qiáng)基材提高力學(xué)性能、耐熱性能等要求。需要開發(fā)具有更高強(qiáng)度、更好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性的新型高性能玻璃纖維。本

8、課題針對上述存在的問題，設(shè)計了新的高強(qiáng)度玻璃纖維成分（NEWHS,采用該成分制備的高強(qiáng)度玻璃纖維提高了玻璃纖維的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度玻璃纖維的制備（1試驗試劑。試驗熔制玻璃所需的SiO2、Al2O3、MgO、B2O3、CeO2、Li2CO3、Fe2O3等原料皆為工業(yè)級原料（其中SiO2為石英砂礦引入，其余物質(zhì)皆為氧化物，是化工原料。（2高強(qiáng)度玻璃纖維的成分設(shè)計。新型高強(qiáng)度玻璃纖維的成分設(shè)計配方方案（NEWHS-1#4#，如表成分nt,Hs-iNEWHS-2Hl*X5-3IE*MS-IIKS2Si%5S-625B-625B-62586251-5B5

9、15B232623F®23部23-2622-2522-2511111-14】11111-14m13G0g03y1-3Ce031151515123119*1100.3000.303030oC?皿05OSQ0.301.1Li:00,£0.20.20.20.590232010年第17期航空制造技術(shù)77次，高于HS2、HS4玻璃纖維。2玻璃纖維耐溫性測試結(jié)果表4中有試驗樣品與對比樣品軟化點數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可看出，NEWHS玻璃纖維的軟化點為964C-968C,明顯高于HS2、HS4,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(jié)果表4中還有試驗樣品與對比樣品的耐酸性數(shù)據(jù)

10、。由表中數(shù)據(jù)可以看出，NEWHS玻璃纖維在10%的HCl中的質(zhì)量損失率為4.38%5.25%,耐酸性明顯高于HS2、HS4玻璃纖維，但與美國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(qiáng)環(huán)氧樹脂浸膠紗強(qiáng)度測試結(jié)果表5是相同浸潤劑條件下，試驗樣品與對比樣品的增強(qiáng)環(huán)氧樹脂浸膠紗強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)。由表5可以看出,HS2C9-660浸膠紗強(qiáng)度為3640.7MPa,彈性模量為82.9GPa;HS4C9-660S膠紗強(qiáng)度為3883.9MPa,彈性模量為86.4GPa;NEW-HSC9-480浸膠紗強(qiáng)度為4167.4MPa,彈性模量為87.0GPa同一直徑的HS2、HS4、NEW-HS三者的浸膠

11、紗強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)相比較，者B顯示NEW-HS比較好，浸膠紗強(qiáng)度比HS2和HS4分別提高14.47%、7.30%;彈性模量比HS2和HS4分別提高4.94%、0.70%。同時由表5可看出，隨纖維直徑的變大，NEW-HS玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂的浸膠紗強(qiáng)度和彈性模量逐漸變小，符合玻璃纖維直徑與強(qiáng)度的關(guān)系。5討論與分析設(shè)計的新型高強(qiáng)度玻璃纖維成分配方中，以SiO2、Al2O3、MgO為主要成分，總含量為96%98%,比原HS2、HS4中SiO2、Al2O3、MgO總含量有所提高。其中SiO2為主要玻璃骨架成分，其含量適當(dāng)增加可以提高玻璃纖維的新生態(tài)強(qiáng)度、耐酸性、耐溫性；Al203可以提高玻璃纖維的

12、強(qiáng)度、耐溫性，隨著Al203含量的增加，玻璃結(jié)構(gòu)致密，玻璃纖維強(qiáng)度隨之提高，但超過25%以后由于Al203配位數(shù)的改變，反而使玻璃結(jié)構(gòu)松弛，造成強(qiáng)度降低，因此本試驗設(shè)計Al203的最高含量不超過25%;Mg0是網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)樹脂復(fù)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(jié)構(gòu)材料的，而樹脂的力學(xué)性能也是很差的，只有把它們結(jié)合起來，形成一個整體，才能有效地發(fā)揮它們自身的作用。具他條件不變時，復(fù)合材料增強(qiáng)體的強(qiáng)度增力口,則復(fù)合材料的強(qiáng)度增力口。本課題制備的新型高強(qiáng)度玻璃纖維由于改變了其主成分含量，使玻璃纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，因此其拉伸強(qiáng)度比現(xiàn)有高強(qiáng)玻璃纖維產(chǎn)品增加，用此纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂體系復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度亦隨之提高。同時其耐溫性、耐酸性等性能有較大提高，因此新型高強(qiáng)度玻璃纖維有望用于力學(xué)性能要求高、耐高溫、耐腐