玻璃纖維直徑對(duì)強(qiáng)度的影響

1、玻璃纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度及復(fù)合材料強(qiáng)度影響的研究來(lái)源：中國(guó)化工信息網(wǎng)2007年3月15日0前言玻璃纖維是玻璃制品中的一種，它是將高溫熔融狀態(tài)下的玻璃液，經(jīng)漏嘴流出，在漏嘴出口處施加高速向下的拉引力，玻璃液被拉伸并冷卻固化成為很細(xì)的纖維，通常直徑為5-30p值玻璃纖維具有許多優(yōu)良性能，用途也相當(dāng)廣泛，一直是用量最大用途最廣的非金屬增強(qiáng)材料。隨著玻璃纖維工業(yè)的迅速發(fā)展，應(yīng)用迅速擴(kuò)大，對(duì)于玻璃纖維性能的研究也相當(dāng)多，但是一直以來(lái)存在這樣一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為纖維直徑越細(xì)，纖維的強(qiáng)度越高，制成的復(fù)合材料的強(qiáng)度也越高。但大量的事實(shí)證明，并非如此，因此有必要對(duì)玻璃纖維制品的性能及纖維直徑對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究

2、。玻璃纖維只是作為一種過(guò)渡性產(chǎn)品，并不能完全決定復(fù)合材料的最終強(qiáng)度。也就是說(shuō)，纖維的強(qiáng)度高并不能就可以說(shuō)明玻璃鋼復(fù)合材料的強(qiáng)度就越高。由于單質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料，目的在于取得單質(zhì)材料所沒(méi)有的性能和經(jīng)濟(jì)效益，因此研究復(fù)合材料的性能，不僅在于原材料、復(fù)合過(guò)程和復(fù)合結(jié)構(gòu)，更重要的要看最后的復(fù)合效果。這將有利于指導(dǎo)玻璃纖維制品的發(fā)展方向，從而可以改善過(guò)去著重于生產(chǎn)小直徑玻璃纖維的生產(chǎn)狀況，轉(zhuǎn)向注重粗纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)，這將大大提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，同時(shí)也提高了復(fù)合材料的生產(chǎn)效益，尤其是大結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，比如纏繞管、冷卻塔、貯罐等。實(shí)驗(yàn)部分原材料及制備工藝原材料玻璃纖維：統(tǒng)一采用山東泰

3、山復(fù)合材料有限公司池窯拉絲工藝生產(chǎn)的無(wú)堿玻璃纖維，其化學(xué)成分相同，所用的浸潤(rùn)劑也相同。其中直徑分別有30m,24dm15m,14m,11m8mt樹(shù)脂：制聚酯棒試樣的樹(shù)脂為南京費(fèi)隆復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的S-583通用型不飽和聚酯樹(shù)脂。聚酯棒制備工藝將玻璃纖維無(wú)捻粗紗束浸入配制好的樹(shù)脂中，待完全浸漬后用金屬絲將無(wú)捻粗紗束向上垂直牽引到模具中，當(dāng)玻璃纖維無(wú)捻粗紗的下端進(jìn)入模具口幾毫米處時(shí)，用塑料或軟木塞封住模具，以防樹(shù)脂外溢，然后按樹(shù)脂系統(tǒng)規(guī)定的固化條件固化，制備足夠數(shù)量彎曲試樣。實(shí)驗(yàn)方法及儀器玻璃纖維直徑用放大倍數(shù)為800-1000倍的顯微鏡測(cè)定，依據(jù)GB/T7690.3縱向法進(jìn)行。單絲拉伸強(qiáng)度用

4、日本UTM-n-20單絲拉伸強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)玻璃纖維單絲的拉伸強(qiáng)度。聚酯棒彎曲強(qiáng)度用長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，依據(jù)GB/T1449進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論玻璃纖維直徑與單絲拉伸強(qiáng)度的關(guān)系玻璃纖維單絲拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1及圖1（略）。表1不同直徑的纖維強(qiáng)度平均直往/mm13.615.324.429.8平均強(qiáng)度/MPa:2.52X103：2.48X103：2.04X1031.81X103由于纖維的內(nèi)部和外部均存在微裂紋，纖維越粗，表面積越大，出現(xiàn)裂紋的幾率越大。當(dāng)施加外力時(shí)，最薄弱區(qū)裂紋迅速擴(kuò)展直至纖維斷裂，纖維直徑粗表面積大就大大增加了纖維斷裂的可能性，因此纖維直徑越細(xì)纖維的強(qiáng)度越高。

5、玻璃微裂紋的產(chǎn)生原因，最重要條件是玻璃中存在缺陷，主要是結(jié)構(gòu)不均一性。玻璃中存在著有序區(qū)、微晶子、化合物、近程有序的集合體等等都構(gòu)成了玻璃的不均一性，玻璃中存在著弱鍵，構(gòu)成了產(chǎn)生大小不同的微裂紋的有利條件。當(dāng)施加外力時(shí)，微不均勻處及薄弱區(qū)首先破裂，便形成了裂紋的胚胎。玻璃液中的缺陷又增大了玻璃的不均一性，因而導(dǎo)致纖維的強(qiáng)度大大降低。拉絲作業(yè)中不可避免地要形成表面裂紋，因?yàn)榻z根冷卻是一個(gè)漸變過(guò)程。在拉絲力作用下，每根纖維都受到一定的應(yīng)力，這種應(yīng)力作用于先硬化的纖維外殼時(shí)就產(chǎn)生表面裂紋。玻璃纖維直徑對(duì)聚酯棒彎曲強(qiáng)度的影響聚酯棒彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2及圖2（略）。影響聚酯棒彎曲強(qiáng)度的主要因素從化學(xué)鍵

6、理論分析該理論認(rèn)為基體表面上的官能團(tuán)與纖維表面上的官能團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)，因此基體與纖維間產(chǎn)生化學(xué)鍵而結(jié)合，形成界面，也稱為“偶聯(lián)理論”。由于在拉絲過(guò)程中，玻璃纖維表面都涂有增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑，使玻璃纖維與基體之間有良好的粘結(jié)性，主要是偶聯(lián)劑的作用。一方面，從成鍵的幾率上分析看，玻璃纖維比表面積大，偶聯(lián)劑與基體成鍵的幾率就越大。不僅僅如此，對(duì)于含有多個(gè)官能團(tuán)的偶聯(lián)劑分子來(lái)說(shuō)，所有的官能團(tuán)能否與基體的官能團(tuán)反應(yīng)成鍵，即有效成鍵數(shù)目的多少將大大影響聚酯棒的強(qiáng)度。另一方面，基體（樹(shù)脂）的分子中也同樣含有多個(gè)官能團(tuán)，如果樹(shù)脂分子中的多個(gè)官能團(tuán)或者使較長(zhǎng)的鏈段能與偶聯(lián)劑結(jié)合成鍵，那么也將會(huì)提高聚酯棒的強(qiáng)度。表2不同

7、纖維直徑的聚酯棒強(qiáng)度纖維直往/11m23118彎曲強(qiáng)度/MPa（干態(tài)）1070921848彎曲強(qiáng)度/MPa（濕態(tài)）984821745從浸潤(rùn)理論分析如果認(rèn)為兩組分能完全浸潤(rùn)，則樹(shù)脂在高能表面的物理吸附所提供的粘結(jié)強(qiáng)度，將大大超過(guò)樹(shù)脂的內(nèi)聚強(qiáng)度。玻璃纖維與樹(shù)脂的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘結(jié)與潤(rùn)濕吸附。機(jī)械粘結(jié)模式是一種機(jī)械較合現(xiàn)象，即樹(shù)脂固化后，大分子進(jìn)入纖維的孔隙和不平的凹陷之中形成機(jī)械較連；物理吸附主要是范德華力的作用，使兩項(xiàng)間進(jìn)行粘附。這兩種作用的同時(shí)存在也提高了聚酯棒的強(qiáng)度。從摩擦理論分析對(duì)于基體與玻璃纖維表面的界面，粘結(jié)摩擦作用也有很大的影響，基體與玻璃纖維表面的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。處

8、理劑的作用在于增加了基體與玻璃纖維表面的摩擦系數(shù)，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高。水等低分子物質(zhì)浸入后，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降，但干燥后強(qiáng)度又能部分恢復(fù)。這是由于水進(jìn)入界面后，基體與增強(qiáng)材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力減弱，故強(qiáng)度降低，而干燥后界面的水減少，基體與玻璃纖維間的摩擦系數(shù)增大，傳遞應(yīng)力的能力增加，故強(qiáng)度部分恢復(fù)。張力的影響由于纖維都是以纖維束的形式存在，而且纖維通常還需要加捻合股等工序，在纖維束中就很可能存在纖維的長(zhǎng)短不勻的現(xiàn)象，造成了纖維的張力不均,即在纖維受力時(shí)并不是所有的纖維都起到了作用，這也降低了聚酯棒的強(qiáng)度。聚酯棒在干態(tài)和濕態(tài)下彎曲強(qiáng)度的比較與分析由于濕度對(duì)于玻璃鋼的性能影

9、響比較大，而在很多的應(yīng)用上其環(huán)境的濕度都是比較大的，所以也有必要研究玻璃鋼在濕態(tài)下的性能。從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示來(lái)看，聚酯棒在干態(tài)下的彎曲強(qiáng)度要比在濕態(tài)的彎曲強(qiáng)度高100Mp數(shù)右，因此如何采取有效的方法防止玻璃鋼在濕態(tài)下強(qiáng)度的降低，還有待進(jìn)一步研究。以下是對(duì)兩種情況下玻璃鋼性能的分析，即水對(duì)玻璃鋼破壞的分析。清潔的玻璃纖維表面吸附水的能力很強(qiáng)，并且纖維表面與水分子之間的作用力，通過(guò)已吸附的水膜傳遞，所以玻璃纖維表面對(duì)水的吸附是多層吸附，形成較厚的水膜，因此這就很大程度上影響了玻璃纖維與樹(shù)脂的粘結(jié)。玻璃纖維復(fù)合材料表面上吸附的水浸入界面后，發(fā)生水和玻璃纖維及樹(shù)脂間的化學(xué)變化，引起界面粘結(jié)破壞，致使復(fù)合材料破壞。復(fù)合材料吸附的水進(jìn)入界面的途徑，一是通過(guò)工藝過(guò)程中在復(fù)合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應(yīng)力作用下破壞，形成互相串通的通道，水很容易沿通道到達(dá)很深的部位；另一條是樹(shù)脂內(nèi)存在的雜質(zhì)，尤其是水溶性無(wú)機(jī)物雜質(zhì),遇到水時(shí)，因滲透壓的作用形成高壓區(qū)，這些高壓區(qū)將產(chǎn)生微裂紋，水繼續(xù)沿微裂紋浸入。此外復(fù)合材料制備過(guò)程中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，也會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部形成微裂紋，水也能沿著這些裂紋浸入。進(jìn)入界面的水，首先是使樹(shù)脂溶脹，溶脹致使界面上產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力。這種應(yīng)力超過(guò)樹(shù)脂與玻璃纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，則界面粘結(jié)發(fā)生破壞，因此，復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)很快降低甚至完全破壞。結(jié)論纖維的直