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的纖維，通常直徑為5-30μm。玻璃纖維具有許多優(yōu)良性能，用途也相當廣泛，一直是用量最大用途最廣的非金屬增強材料。隨著玻璃纖維工業(yè)的迅速發(fā)展，應用迅速擴大，對于玻璃纖維性能的研究也相當多，但是一直以來存在這樣一個誤區(qū)，認為纖維直徑越細，纖維的強度越高，制成的復合材料的強度也越高。但大量的事實證明，并非如此，因此有必要對玻璃纖維制品的性能及纖維直徑對復合材料強度的影響進行研究。
玻璃纖維只是作為一種過渡性產(chǎn)品，并不能完全決定復合材料的最終強度。也就是說，纖維的強度高并不能就可以說明玻璃鋼復合材料的強度就越高。由于單質材料轉化為復合材料，目的在于取得單質材料所沒有的性能和經(jīng)濟效益，因此研究復合材料的性能，不僅在于原材料、復合過程和復合結構，更重要的要看最后的復合效果。這將有利于指導玻璃纖維制品的發(fā)展方向，從而可以改善過去著重于生產(chǎn)小直徑玻璃纖維的生產(chǎn)狀況，轉向注重粗纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)，這將大大提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟效益。不僅如此，同時也提高了復合材料的生產(chǎn)效益，尤其是大結構復合材料的生產(chǎn)效率，比如纏繞管、冷卻塔、貯罐等。
1 實驗部分
1.1 原材料及制備工
1.1.1 原材料
玻璃纖維：統(tǒng)一采用山東泰山復合材料有限公司池窯拉絲工藝生產(chǎn)的無堿玻璃纖維，其化學成分相同，所用的浸潤劑也相同。其中直徑分別有30μm，24μm，15μm，14μm，11μm，8μm。
樹脂：制聚酯棒試樣的樹脂為南京費隆復合材料有限公司生產(chǎn)的S-583通用型不飽和聚酯樹脂。
1.1.2 聚酯棒制備工藝
將玻璃纖維無捻粗紗束浸入配制好的樹脂中，待完全浸漬后用金屬絲將無捻粗紗束向上垂直牽引到模具中，當玻璃纖維無捻粗紗的下端進入模具口幾毫米處時，用塑料或軟木塞封住模具，以防樹脂外溢，然后按樹脂系統(tǒng)規(guī)定的固化條件固化，制備足夠數(shù)量彎曲試樣。
1.2 實驗方法及儀器
1.2.1 玻璃纖維直徑
用放大倍數(shù)為800-1000倍的顯微鏡測定，依據(jù)GB/T 7690.3縱向法進行。
1.2.2 單絲拉伸強度
用日本UTM-Ⅱ-20單絲拉伸強力試驗機測玻璃纖維單絲的拉伸強度。
1.2.3 聚酯棒彎曲強度
用長春試驗機研究所研制的電子萬能試驗機測定，依據(jù)GB/T 1449進行。
2 實驗結果與討論
2.1 玻璃纖維直徑與單絲拉伸強度的關系
表1 不同直徑的纖維強度
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平均直徑/μm |
13.6 |
15.3 |
24.4 |
29.8 |
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平均強度/MPa |
2.52×103 |
2.48×103 |
2.04×103 |
1.81×103 |
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。當施加外力時，最薄弱區(qū)裂紋迅速擴展直至纖維斷裂，纖維直徑粗表面積大就大大增加了纖維斷裂的可能性，因此纖維直徑越細纖維的強度越高。
玻璃微裂紋的產(chǎn)生原因，最重要條件是玻璃中存在缺陷，主要是結構不均一性。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成了玻璃的不均一性，玻璃中存在著弱鍵，構成了產(chǎn)生大小不同的微裂紋的有利條件。當施加外力時，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，因而導致纖維的強度大大降低。拉絲作業(yè)中不可避免地要形成表面裂紋，因為絲根冷卻是一個漸變過程。在拉絲力作用下，每根纖維都受到一定的應力，這種應力作用于先硬化的纖維外殼時就產(chǎn)生表面裂紋。
2.2 玻璃纖維直徑對聚酯棒彎曲強度的影響
聚酯棒彎曲強度試驗結果見表2及圖2(略)。
2.2.1 影響聚酯棒彎曲強度的主要因素
2.2.1.1 從化學鍵理論分析
該理論認為基體表面上的官能團與纖維表面上的官能團起化學反應，因此基體與纖維間產(chǎn)生化學鍵而結合，形成界面，也稱為“偶聯(lián)理論”。由于在拉絲過程中，玻璃纖維表面都涂有增強型浸潤劑，使玻璃纖維與基體之間有良好的粘結性，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，對于含有多個官能團的偶聯(lián)劑分子來說，所有的官能團能否與基體的官能團反應成鍵，即有效成鍵數(shù)目的多少將大大影響聚酯棒的強度。另一方面，基體(樹脂)的分子中也同樣含有多個官能團，如果樹脂分子中的多個官能團或者使較長的鏈段能與偶聯(lián)劑結合成鍵，那么也將會提高聚酯棒的強度。
表2 不同纖維直徑的聚酯棒強度
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纖維直徑/μm |
23 |
1l |
8 |
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彎曲強度/MPa(干態(tài)) |
1070 |
921 |
848 |
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彎曲強度/MPa(濕態(tài)) |
984 |
821 |
745 |
2.2.1.2 從浸潤理論分析
如果認為兩組分能完全浸潤，則樹脂在高能表面的物理吸附所提供的粘結強度，將大大超過樹脂的內(nèi)聚強度。玻璃纖維與樹脂的結合模式屬于機械粘結與潤濕吸附。機械粘結模式是一種機械鉸合現(xiàn)象，即樹脂固化后，大分子進入纖維的孔隙和不平的凹陷之中形成機械鉸連；物理吸附主要是范德華力的作用，使兩項間進行粘附。這兩種作用的同時存在也提高了聚酯棒的強度。
2.2.1.3 從摩擦理論分析
對于基體與玻璃纖維表面的界面，粘結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)決定了復合材料的強度。處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)，從而使復合材料的強度提高。水等低分子物質浸入后，復合材料的強度下降，但干燥后強度又能部分恢復。這是由于水進入界面后，基體與增強材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f應力的能力減弱，故強度降低，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，傳遞應力的能力增加，故強度部分恢復。
2.2.1.4 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短不勻的現(xiàn)象，造成了纖維的張力不均，即在纖維受力時并不是所有的纖維都起到了作用，這也降低了聚酯棒的強度。
2.2.1.5 聚酯棒在干態(tài)和濕態(tài)下彎曲強度的比較與分析
由于濕度對于玻璃鋼的性能影響比較大，而在很多的應用上其環(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。
從試驗的數(shù)據(jù)結果顯示來看，聚酯棒在干態(tài)下的彎曲強度要比在濕態(tài)的彎曲強度高100MPa左右，因此如何采取有效的方法防止玻璃鋼在濕態(tài)下強度的降低，還有待進一步研究。以下是對兩種情況下玻璃鋼性能的分析，即水對玻璃鋼破壞的分析。
清潔的玻璃纖維表面吸附水的能力很強，并且纖維表面與水分子之間的作用力，通過已吸附的水膜傳遞，所以玻璃纖維表面對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脂的粘結。
玻璃纖維復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脂間的化學變化，引起界面粘結破壞，致使復合材料破壞。
復合材料吸附的水進入界面的途徑，一是通過工藝過程中在復合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應力作用下破壞，形成互相串通的通道，水很容易沿通道到達很深的部位；另一條是樹脂內(nèi)存在的雜質，尤其是水溶性無機物雜質，遇到水時，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。此外復合材料制備過程中所產(chǎn)生的附加應力，也會在復合材料內(nèi)部形成微裂紋，水也能沿著這些裂紋浸入。
進入界面的水，首先是使樹脂溶脹，溶脹致使界面上產(chǎn)生橫向拉伸應力。這種應力超過樹脂與玻璃纖維間的粘結強度時，則界面粘結發(fā)生破壞，因此，復合材料的強度會很快降低甚至完全破壞。
3 結論
(1)纖維的直徑越細纖維的強度越高。
(2)不同直徑的纖維所制得的聚酯棒彎曲強度，纖維越細聚酯棒的強度越低，但是變化不是很大。這主要是樹脂對纖維的微裂紋進行了很好的修補，因此纖維直徑的粗細對復合材料的強度并沒有多大的影響。
(3)聚酯棒在濕態(tài)和干態(tài)下的彎曲強度均相差100MPa，說明濕度對復合材料的強度影響比較大，有待進一步提高在濕態(tài)下的強度。
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