《玻璃纤维介绍》PPT课件.ppt

第三部分 复合材料的增强材料,增强材料的作用： 承受外界施加载荷，提高树脂基体的力学性能。还可提高耐热性，降低收缩率，以及赋予一些功能性（如磁学、电学等功能，功能体） 增强材料的外观形状： 纤维状：增强作用最明显，应用最广 片状 颗粒状,6.1 GF及其制品 6.1.1 GF的分类 1）以玻璃原料成分分类（用于连续GF的分类） 一般以不同的碱金属氧化物含量来区分。 无碱玻璃纤维（E玻璃纤维） 碱金属氧化物含量0.05% 化学稳定性、电绝缘性能、强度好 主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料等,第六章 玻璃纤维及其制品,中碱玻璃纤维（C玻璃纤维） 碱金属氧化物含量11.5-12.5% 含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其化学稳定性和强度尚好。 一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度要求不很严格的玻璃钢增强材料。 成本较低，用途较广。,高碱玻璃纤维（A玻璃纤维） 碱金属氧化物含量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纤维均属此类。 可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和毡片等防水、防潮材料。,特种玻璃纤维 由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维（Sglass）； 镁铝硅系高强高弹玻璃纤维； 硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维； 含铅纤维； 高硅氧纤维； 石英纤维等。,碱金属氧化物：一般指氧化钠、氧化钾。 碱金属氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔点。 碱金属氧化物含量越高，玻璃纤维的化学稳定性、电绝缘性能、强度都会相应下降。,2）以单丝直径分类 粗 纤 维：单丝直径一般为30um 初级纤维：单丝直径大于20um； 中级纤维：单丝直径10-20um 高级纤维：（纺织纤维）其单丝直径3-10um。 超细纤维：单丝直径小于4um。 一般：5-10um的纤维作为纺织制品用； 10-14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。,3）按纤维性能分类 这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维，大致可分为： 高强玻璃纤维； 高模量玻璃纤维； 耐高温玻璃纤维； 耐碱玻璃纤维； 耐酸玻璃纤维； 普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）； 光学纤维； 低介电常数玻璃纤维； 导电纤维 等,6.1.2 GF的结构及组成 1）GF的特点 玻璃：无规则的非晶态结构，近程有序，远程无序 玻璃的共性： 各向同性 无固定熔点 亚稳定性 性质变化的连续性，可逆性,亚稳定性 玻璃是由熔融液体过冷得到的，在冷却过程中粘度急剧提高，质点来不及做有规则的排列而形成晶体，没有释放出结晶潜热(凝固热)。所以玻璃态物质比相应的结晶态物质具有较大的能量，不是处于能量最低的稳定态，而属于亚稳态。,性质变化的连续性、可逆性： 玻璃在由熔融态冷却或加热过程中，其物理化学性质变化是逐渐、连续的变化，而且是可逆的。,2）GF的结构 关于GF的结构有两种学说： 无规则网络学说：硅氧四面体，铝氧三面体，硼氧三面体相互连成不规则的三维结构。网络间的空隙由Ca、Na、K、Mg等阳离子所填充。 微晶学说：玻璃由硅酸块或二氧化硅的微晶子组成，在微晶子之间由硅酸块过冷溶液填充。,3）GF的化学组成 玻璃纤维的化学组成主要有SiO2、Be2O3、CaO、Al2O3等。这些物质对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用。 以SiO2为主称硅酸盐玻璃 以Be2O3为主称硼酸盐玻璃 以P2O5为主称磷酸盐玻璃 除主要成分以外，尚须加入其他的氧化物等。各种氧化物在玻璃中的作用是比较复杂的。,6.1.3 GF的性能 1)物理性能 a. 外观：光滑，圆柱形。纤维之间抱合力小，影响了与树脂的复合效果。但光滑表面对气体和液体通过的阻力小，所以制作过滤材料较理想。 b. 密度：2.5左右，主要取决于玻璃的成分。某些特种玻璃，如石英玻璃纤维，高硅氧玻璃纤维等，其密度较低，仅为2.0-2.2g/cm3；含有大量重金属氧化物的高模GF，密度可达2.7-2.9g/cm3。,2)力学性能 a. 拉伸强度 GF的拉伸强度比玻璃高几十倍？ 微裂纹假说： 玻璃结构的不均匀性，使玻璃易产生微裂纹，外力作用下，形成应力集中点。玻璃纤维，更多地保留着高温熔体的结构(结构均一性提高)，微裂纹产生机会减少，且GF截面小，所以表面微裂纹比块状玻璃少。,影响玻璃纤维强度的因素： 纤维直径和长度：直径越小，长度越小，强度越大； 化学组成：含碱量越大，强度越小； 存放时间：存放时间越长，强度越小(空气中水分的侵蚀) 施加负荷时间：施加负荷时间越长，强度越小 除此之外，玻璃液的缺陷，如杂质，气泡等也显著影响GF的强度。,b. 弹性模量(刚性) GF的弹性模量小于金属合金。且其弹性模量与玻璃组成，结构密切相关。 GF的弹性伸长率低，如E玻璃纤维仅3%左右，S玻璃纤维5.4%，这说明GF只存在弹性变形，是完全弹性体，拉伸时，不存在屈服点。,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：指纤维抵抗折断的能力。 GF的耐磨性、耐折性都很差。 GF的柔性：一般以弯曲半径来表征。弯曲半径越小，说明GF的柔性越好。,4) 耐热性 与有机纤维比，GF是有很高的耐热性，因为GF的软化点达500-750，而尼龙为230-250，聚苯乙烯（PS）为88-110。 且GF在小于500下使用，强度不损失。但如果加热到250以上再冷却(热处理)，则强度明显下降。如经600-700热处理后，其强度只有原始的20-30%。,5）GF的化学性质 GF与Glass相比，由于具有较大的比表面积，因此受介质侵蚀度剧烈。 GF对除HF、浓碱、H3PO4以外的化学药品及有机溶剂具有良好的化学稳定性。,影响GF化学稳定性的因素： a. 玻璃纤维的化学组成 无碱玻纤：耐酸性差，耐水性较好 中碱玻纤：耐酸性好，耐水性差 b温度 在100以下，温度每升高10，纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加50100。 温度升高到100以上时，破坏作用更加剧烈。,6.1.4 GF的生产工艺 1)坩埚拉丝 陶土坩埚拉丝：比较原始，已于1999年淘汰 金铂坩埚拉丝：坩埚：铂铑合金 代铂坩埚拉丝：是我国自行研究开发的一种新工艺。 坩埚：锅身：耐火硅材；漏板：铂铑合金,2)池窑拉丝 池窑拉丝是生产玻璃纤维的先进工艺，规模及生产能力远远大于坩埚拉丝。 我国在1990年才有第一座从国外引进的年产4000吨无碱玻璃纤维池窑拉丝投产，其生产能力不足当年全国产量的百分之五。,池窑拉丝法的特点： 不经制球、坩埚再熔工序。 工序简化，原丝质量好。 玻璃熔量大，产量高(可以实现1600孔，2000孔，更多孔的大漏板拉丝)。,6.1.5 GF的表面处理 1）浸润剂 a.浸润剂的作用 润滑保护作用 粘结集束作用 防止GF表面静电荷的积累 使GF获得与基体树脂有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能,b.浸润剂的分类 增强型浸润剂 增强型浸润剂的主要成分：偶联剂 纺织型浸润剂 目的：满足纺织工序的要求，该浸润剂能使GF具有良好的拉丝，加捻，合股，整经，织造等纺织加工性能。 缺点：由于浸润剂中的成分影响了纤维与基体之间的粘合，因此需通过热清洗及后处理工艺，将GF表面的浸润剂除去，再经偶联剂处理后方可使用。,2）表面处理剂 又称为偶联剂，架桥剂，是一种能够改变GF增强CM界面能的化合物。即使其用量很低(在GF上约为0.05-0.2%)，也会改善GF与基体的界面状态，可提高CM的强度、耐水性、耐老化性及使用寿命。 a.偶联剂的分类 二种基团：一种可与GF表面结合，另一种可与基体通过物理或化学作用相结合。,偶联剂主要可分为以下几大类： 硅烷偶联剂 有机铬偶联剂(沃兰) 钛酸酯类偶联剂 其他偶联剂,硅烷偶联剂 通式可写为：RnSiX4-n 其中：R为有机功能基团，如-NH2，-SH等 X为易水解基团，水解后(一般为-OH)可与GF作用 n多数为1,偶联机理如下： 硅烷偶联剂水解 三醇基硅烷与GF表面的-OH形成氢键 GF在烘干过程中，硅烷偶联剂与GF表面以氢键形式结合的-OH，在高温下发生醚化反应，脱去1分子水形成醚键，以形成的共价键结合。,有机铬偶联剂 由不饱和有机酸与三价铬离子形成的金属铬络合物。 最常用的有机铬偶联剂： 甲基丙烯酸氯化铬络合物(沃兰),钛酸酯类偶联剂 如钛酸正丁酯,其他偶联剂 锆类偶联剂：含铝酸锆的低分子量的无机聚合物。它不仅可以促进不同物质之间的粘合，而且可以改善复合材料体系的性能，特别是流变性能。该类偶联剂既适用于多种热固性树脂，也适用于多种热塑性树脂。 镁类偶联剂 锡类偶联剂 等,b.偶联剂的作用： 偶联作用（既能与玻璃纤维相连，又能与树脂间发生作用，从而增强界面的粘结） 保护作用（保护玻璃纤维的表面，防止水分或其他有害介质侵入） 改善界面状态（减少或消除界面弱点，改善界面状态，使应力有效传递） 改善复合材料的性能（改善玻璃钢性能，如耐水性、耐化学腐蚀性、力学性能、耐热性等）,3）GF纤维的表面处理方法 后处理法 前处理法 迁移法,后处理法 又称为普通处理法 特点： 各道工序都需要专门设备，初投资较大； GF强度损失大，但处理效果较好，且稳定。 步骤： 首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂。 然后再经表面处理剂溶液浸渍。 再经水洗、烘干等工艺,联合机组法处理玻璃纤维布的流程,热处理作用：去除浸润剂,烘焙作用：偶联剂与GF表面将发生偶联作用,影响处理效果的因素： 偶联剂用量 烘焙温度 烘焙时间 处理液的配制及使用,前处理法 特点： 可省去复杂的处理工艺及设