聚合物复合材料玻璃纤维教学课件PPT.ppt

第二单元 增强材料,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,增强材料的概念及分类特征,概念： 增强材料是复合材料的主要组成部分，它起着提高树脂基体的强度、模量、韧性、耐热和耐磨等性能的作用，增强材料还有减少复合材料成型过程中的收缩率、提高制品硬度等作用。增强材料有时也称作增强体、增强剂等。,高分子材料专业 聚合物复合材料,增强材料具备的特性： 应能明显提高某种所需特性的性能； 具有良好的化学稳定性； 与基体有良好的润湿性和适当的界面反应 价廉,增强材料的概念及分类特征,高分子材料专业 聚合物复合材料,分类： 纤维类（连续长纤维和短纤维） 颗粒类 晶须类 金属丝 片状物,增强材料的概念及分类特征,高分子材料专业 聚合物复合材料,纤维类增强材料）,1.无机纤维 1）玻璃纤维 fiberglass owens corning 美国； 泰山、巨石、重庆复合材料有限公司； 2）碳纤维： 聚丙烯腈基、沥青基； 日本: 东丽 三菱 3）硼纤维 boron 4）碳化硅纤维 sic 5）氧化铝纤维 alumina,2. 有机纤维 1）刚性分子链 对位芳酰胺： kevlar, twaron； 聚苯并双噁唑； 聚苯并咪唑； 聚芳酯； 2）柔性分子链 聚乙烯；聚乙烯醇,高分子材料专业 聚合物复合材料,各种纤维的应力-应变曲线,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.1 概述 2.1.1 玻璃纤维的发展状况 2.1.2 玻璃纤维的分类 2.1.3 玻璃纤维的制备 2.2 玻璃纤维的结构与组成 2.2.1 玻璃纤维的物态 2.2.2 玻璃纤维的结构 2.2.3 玻璃纤维的化学组成 2.3 玻璃纤维的性能 2.3.1 玻璃纤维的物理性能 2.3.2 玻璃纤维的化学性能 2.4 玻璃纤维及其制品 2.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺 2.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能 2.4.3 玻璃纤维制品,知识点二 玻璃纤维,玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的是，玻璃一旦经加热，被拉制成比头发还要细得多的玻璃纤维之后，它就变得像合成纤维那样柔软，而坚韧的程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝！,玻璃纤维有啥用处呢？,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.1 概述 玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。 质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布，玻璃带等织物。,玻璃纤维无捻粗纱,glass fiber roving,短切纤维 ar-glass fiber chopped strand,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。,2.1.1 玻璃纤维的发展状况,国外玻璃纤维特点：,1. 技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，发展多排多孔拉丝工艺 。 2. 直径越来越粗，纤维直径为1424m，甚至达到27m 。 3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶联剂的品种不断增加。 5. 重视纤维树脂界面的研究，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。,国内玻璃纤维特点：,较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维树脂界面，重视纤维-树脂界面的研究。,高分子材料专业 聚合物复合材料,知识点二 玻璃纤维,2.1.2 玻璃纤维的分类,玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。,（1）按化学组成（碱金属氧化物含量） 有碱玻璃纤维 12%; 中碱玻璃纤维 6% 12%； 低碱玻璃纤维 2% 6% ； 微碱玻璃纤维 2%（无碱玻璃纤维）,高分子材料专业 聚合物复合材料,（2）按纤维使用特性分 普通玻璃纤维（a-gf：average） 电工用玻璃纤维（e玻璃纤维：electrical） 高强型玻璃纤维（s 玻璃纤维 strength ） 高模量型玻璃纤维（m-gf：modulus） 耐化学药品玻璃纤维（c玻璃纤维：chemical） 耐碱玻璃纤维（ ar玻璃纤维：alkali-resistant ） 低介玻璃纤维（ d玻璃纤维：dielectric ） 高硅氧玻璃纤维 石英玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,按纤维长短分： 定长纤维（650mm） 连续纤维 按纤维直径的大小： 粗纤维（单丝直径30um） 初级纤维（单丝直径20um） 中级纤维（单丝直径1020um） 高级纤维（单丝直径39um）； 按纤维外观分： 连续纤维 短切纤维 空心玻璃纤维 磨细纤维 玻璃粉,中空玻璃纤维,玻璃粉,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.2.2 玻璃纤维及玻纤制品的制备,2.1.3 玻璃纤维的制备,砂 石灰石 硼酸,熔炼炉,造球机,玻璃球,铂金坩埚,漏丝板,玻璃纤维,1260,1518mm,320um,10003000m/min,1300,坩埚拉丝法：制球和拉丝,（102、204、408孔，d=1.52mm,玻璃液为1190）,高分子材料专业 聚合物复合材料,单丝 filament：从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝； 原纱 strand：一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束 成一根原纱； 池窑法 将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。 省去制球工艺 生产能力高 可自动化控制，产品质量稳定； 适用于生产粗玻璃纤维；,高分子材料专业 聚合物复合材料,池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优点，能适应800至4000孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。,高分子材料专业 聚合物复合材料,2）玻纤制品的制造,玻纤经原纱退绕后可以制成各种制品，如无捻粗纱、短切纤维毡等。设备：纺纱机和织布机。,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.2 玻璃纤维的结构与组成,2.2.1 玻璃纤维的物态,玻璃纤维是纤维状的玻璃。 玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。 定义： 由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。 特点：没有固定的熔点,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.2.2 玻璃纤维的结构,微晶结构假说：,玻璃是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所填充。,网络结构假说,玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由na、k、ca、mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的na、ca等阳离子称为网络改性物。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,玻璃纤维结构示意图,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.2.1 玻璃纤维的组成及分类,sio2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离子结构物质。 （1） sio2：作用：形成基本骨架，高熔点 （2） 金属氧化物 al2o3、 cao、mgo、na2o、beo、b2o3等， 作用： 改善制备玻璃纤维的工艺条件： na2o、 k 2o； 使玻纤具有一定特性。 beo：提高模量； b2o3：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。 但模量和强度下降。,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.2.3 玻璃纤维的化学组成,2.3 玻璃纤维的性能,2.3.1 玻璃纤维的物理性能,1. 外观和密度,玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实，有利于提高玻璃钢制品的玻璃含量。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,玻璃钢使用的玻璃纤维直径5m20m，其密度较有机纤维大很多，但比一般金属密度要低。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,2. 力学性能 (1) 拉伸强度 玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高几十倍 例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：40mpa100mpa 玻璃纤维强度：2000mpa,几种纤维材料和金属材料的强度,高分子材料专业 聚合物复合材料,微裂纹假说：,玻璃的理论强度很高，可达2000 12000 mpa，但实测强度很低：在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等、尺寸不同的微裂纹，大大降低了强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内，但以表面的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，微裂纹处产生应力集中，从而使强度下降。 玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少；玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使玻璃纤维强度增高。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,分子取向假说：,在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机的牵引作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维强度。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,影响玻璃纤维强度的因素：, 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高 随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降,高分子材料专业 聚合物复合材料, 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。,无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大。 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低。,高分子材料专业 聚合物复合材料, 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀, 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低 环境湿度较高时，尤其明显 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。,高分子材料专业 聚合物复合材料,(2)玻璃纤维的弹性 玻璃纤维的延伸率：纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率 玻璃纤维的弹性模量：在弹性范围内应力和应变关系的比例常数 影响玻璃纤维的弹性模量的主要因素：化学组成 加入beo、mgo能提高玻璃纤维的弹性模量,高分子材料专业 聚合物复合材料,(3)玻璃纤维的耐磨性和耐折性 玻璃纤维的耐磨性和耐折性能很差，尤其在潮湿环境下玻璃纤维表面吸附水分后能加速微裂纹的扩展 改进玻璃纤维的柔性措施：表面处理 0.2%阳离子活性剂水溶液处理,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,3. 玻璃纤维的热性能 (1) 玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数：0.7w/(mk)1.3w/(mk) 玻璃纤维导热系数：0.034w/(mk) 原因：纤维间的空隙较大，容积密度较小，空气导热系数低,高分子材料专业 聚合物复合材料,(2) 玻璃纤维的耐热性 玻璃纤维的耐热性较高，软化点为550580，热膨胀系数为4.810-6 ；200 250以下，玻璃纤维强度不变,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.3.2 玻璃纤维的化学性能,化学成分对玻璃纤维化学稳定性的影响： 玻璃纤维除氢氟酸(hf)、浓碱(naoh)、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性。,无碱与中碱玻璃纤维性能对比,玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻璃纤维的化学稳定性；碱金属氧化物会使化学稳定性降低。,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.4.1 玻璃纤维制品的生产工艺,生产玻璃纤维制品的主要设备是纺纱机和织布机,1电熔池窑炉；2漏板；3加浸润剂；4机械装置；5喷射粘接剂；6金属网带；7固化装置；8卷筒,连续玻璃纤维毡生产示意图,2.4 玻璃纤维及其制品,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.4.2 玻璃纤维纱的规格和性能,玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。 无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成 有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。,由于生产玻璃纤维纱的纤维直径、支数及股数不同，使无捻纱和有捻纱的规格有许多种。,知识点二 玻璃纤维,高分子材料专业 聚合物复合材料,纤维支数有两种表示方法：,(1) 定质量法,用质量为1g的原纱的长度来表示，即：,例如：40支纱，就是指质量为1g的原纱长40m。,(2) 定长法,目前国际上统一使用的方法，通称“tex”(公制号数)。,1000m长的原纱的克质量。,例如：4“tex”就是指1000m原纱质量为4g。,高分子材料专业 聚合物复合材料,捻度,单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻m为单位,z捻(左捻)，顺时针方向加捻； s捻(右捻)，逆时针方向加捻。,通过加捻可提高纤维的抱合力，改善单纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。捻度过大不易被树脂浸透。,无捻粗纱中的纤维是平行排列的，拉伸强度很高，易被树脂浸透，故无捻粗纱多用于缠绕高压容器及管道等，同时也用于拉挤成型、喷射成型等工艺中。,高分子材料专业 聚合物复合材料,2.4.3 玻璃纤维制品,1、无捻粗纱,无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成。无捻粗纱是加工方格布、网格布的基本原料，是玻璃钢基材最基本的原材料。,喷射用无捻粗纱，缠绕型无捻粗纱，拉挤用无捻粗纱及织造用无捻粗纱等，用途十分广泛。,种类,高分子材料专业 聚合物复合材料,2、无捻方格布,以无捻粗纱织成的方格布，广泛应用于手糊玻璃钢(frp)产品领域。,高分子材料专业 聚合物复合材料,3、无碱布,无碱布是用无碱玻纤纱织造而成，具有优异的电气绝缘性、力学性能、耐热性及抗吸湿性。主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模具等 无碱布还适合用作玻璃漆布，玻璃布层压制品与覆铜箔层压的基材，以及玻璃云母制品等的补强材料。,高分子材料专业 聚合物复合材料,4、短切玻璃纤维,短切玻璃纤维，适应于各种不同的用途。采用适当的浸润剂和集束数，切成不同长度的玻璃纤维，在热固性，热塑性树脂增强材料中获得广泛的应用。,高分子材料专业 聚合物复合材料,5、短切毡,把玻璃纤维短切成约50mm长，然后均匀沉降在成型带上，并敷上特种粘结剂形成短切毡，它具有各向同性与树脂结合良好的亲和性，脱泡性、易成型等特点，广泛使用于手糊玻璃钢(frp)及玻纤层压板材上。,高分子材料专业 聚合物复合材料,6、连续原丝毡,连续原丝毡是新型玻纤无纺增强材料，广泛用于高质量玻璃钢的模压和拉挤成型工艺。该技术以玻璃纤维原丝为原料，经机械铺叠制成高强度无纺毡，产品规格为225900克/平方米。,高分子材料专业 聚合物复合材料,7、玻璃纤维耐碱网布,玻璃纤维耐碱网布是以中碱或无碱玻璃纤维织物为基础，经耐碱涂层处理而成。该产品强度高、粘结性好、服帖性、定位性极佳，广泛应用于墙体增强，外墙保温，屋面防水等方面，还可应用于水泥、塑料、沥青、大理石、马赛克等墙体材料的增强，是建筑行业理想