3液态树脂在玻璃纤维表面上的浸润性对复合材料

液态树脂在玻璃纤维表面上的浸润性对复合材料... 第六图书馆 玻璃钢 玻璃纤维 浸润性 树脂玻璃钢王茂珍不详1991第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 王 茂 珍 摘 要 要获得性能良好的机制玻璃钢产品。除了在成型工艺方面进行选择 之外．树脂对玻璃纤维的浸润性也不可忽视．它给予界面状况较大的改 变并对提高和改善玻璃钢应用性能产生显著的效果． 本文介绍液态树脂对国产玻璃纤维和进口玻璃纤维浸润性的测定， 以及通过挤拉玻璃钢棒材试车的实际应用．比较分析了液态树脂对两种 玻璃纤维浸涸量、浸润速度、接触角、表面自由饨及活化能等性能如何 影响复合材料的牯结力。结果表明：进口玻璃纤维对树脂在一定温度条 件下，浸润速度快、接触角小、有 良好的接触界面状况、能{茼足挤拉成 型工艺要求．所得棒材的弯曲、剪切强度均高于国产玻璃纤维的玻璃钢 棒材．从而为今后提高国产玻璃纤维的性能指出努力方向． 一 、 引 言 复合材料大多数都是由固体增强体与液态基体两类性质不同的物质 构成的。当复合材料粘结时。在粘结界面上存在着许多复杂的界面现 象、界面上的要素如增强体的比表面积、表面张力、表面的孔及孔径 等．基体则要看液态的粘度和表面张力。更为主要的是液态树脂在增强 玻璃纤维表面上的浸润性 ’IS即浸润性不良会使树脂与纤维不能完全紧密 地接触、粘结力差．影响粘结强度和复合材料性能． 在挤拉玻璃钢构件时．有时发现产品有发自现象或纤维内缺少树 脂·这种缺陷的产生与树脂对纤维浸捐速度有关．因为机械化生产玻璃 钢产品时，液态树脂与纤维接触的时问较短，一般只有几分钟 。而使用 的纤维是由几百、几千甚至上万根单丝所组成的束纱．也就是说树脂要 在这样短的时问内润湿所有纤维的表面、否则就导致产品质量下降． 一 27— 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 因此研究液态树脂在蔽璃纤维表面上的浸滑性是十分重要的． 用同一种聚酯树脂 驻璃纤维浸桶性的测定。以及挤拉棒材的 试验表明：浸润性好的 蜀 璃纤维、在捌造复合材料时能满足挤拉成 型工艺的某些性能要求。操作时方便，翻得的进 口玻璃钢棒材、外观光 洁、美观、力学性能优予国产玻璃棒材。 二、原材料与测试设备 i．液态树脂： 挤拉用树脂：固体 含量为67．8％．粘度(25"C)为0．98Pa．S比重 为 1 1l2 191．；；tq饱和聚酯树脂：固体 古 量为65％，酸值 为 <28KOHmg／g． 粘度为(25℃)0．70Pa．S 2．玻璃纤维： 进 121的玻璃纤维无捻粗纱：Tex为 4360。单丝直径为 24．2／,tm。国 产用的无捻粗纱 Tex为 4400。单丝直径为 i 3]zm． 3．测试设备 ： S一3i2型浸润测定仪 (由中国科学院化学所制)。 三、试验方法 1．挤拉用树脂在两种玻璃纤维上的浸润性，其浸润程度见图一曲 线． 2．由图一的浸澜凸线，可分别求出在 50E条件 下，挤拉用树脂对 两种玻璃纤维的初 始浸润速度 (一般在 2秒 时单位重量的吸润量计算 的)fl】和接触角．另一方面可将挤拉棒材的力学 性能进行 比较。列表 1． 28 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 图一 挤拉用树脂在两种玻璃纤维表面上的浸润曲线 、遁润讨闻 表 l 挤拉用树脂在两种玻璃纤维表面上的稷润性对复合材料粘结力的影响 浸掴性 直径为 6 ram棒材力学性能 (测试温度 50℃) 初始授澜速度 接触角 禽胶量 短粱剪切 弯曲强度 苎曼 度 ％ MPa MPa ． 进 口玻璃纤维 26．36 60 23．2 38 8 l110 国产玻璃纤维 17．84 69 23．6 23 536 — 29 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 3．用 l9l聚酯树脂在进口玻璃纤维表面上．通过几种不同温度作浸 润曲线．得图二． 一 3O一 ， 霭 州 誊 饔 柬 鲁荸雹霹璐譬普辖留鼍 _【6l智筹 I曲E Ⅱ 嚼匿 川霹 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 4．根据液态树脂对两种玻璃纤维表面的实验浸润曲线[2】可以分别求 出不 同温度下的初 始浸 澜速度、接触角、表面 自由能．列表 2。另外根 据不同温度条件下的浸澜速度、 Arrheniu暑方程式lnV韧=一等+c 以 Inv~ J"I／T作图 (图三)。得出直线求出其斜率后即可求出活化能 AE． A - 2 - y 图三 191聚醇树脂对两种玻璃纤维 润沮过程的活化能 一 3l一 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 表 2． 液态 191秉葺暂树脂对两种玻璃纤维表面浸润性比较 蘑 初始{受润速度 接触角 活化能 自由能 菇、童 度 g．i 千卡 霓夯手 25 35 50 25 35 50 进口玻，坪 25 39 46 82，5 67 7 68．9 0．37 20 77 S．S9 [国产玻纤 15 29 37 83 5 74．5 77．1 3-0 3．89 29．41 四、结果与讨论 1．由图一及表 l可以看出，在一定温度条件下，液态树脂在进口玻 璃纤维表面上的浸润速度快、接触角小、润湿性好、力学性能就高，实 际使用效果也佳． 挤拉试车时。由于进口玻璃纤维与树脂提镧性良好、能满足成型工 艺的某些性能要求。树脂与玻璃纤维虽然在几分钟内凝胶，但能很好的 固化、得到产品外观光洁 美观． 同样挤 拉成型工艺。国产玻璃纤维与树脂浸润性差。在授溃盘 中两 者接触时纤维紊乱、有时会出现悬垂弯曲，不易挤拉。产品外观发自粗 糙．满足不了产品性能的技术要求． 经强力破坏后观察断面状况：国产玻璃纤维棒材。断面整齐。而进 口玻纤的棒材断面参差不齐。 用大约 30era长的两根直径为 6ram棒材。从一定高度撺下。进口 玻璃纤维棒材发出游瞻的响声．而鼠产玻璃纤维棒材发出沉闷的声音． 进 口玻纤棒材弯曲强度为 11IOMPa、短粟剪切为 38．8MPa、而国 产棒材分别为 536MPa和 23MPa． 这些情况说明，进 口玻璃纤维棒有良好的畏镧性，致使复合材料粘结 力高． 一 32 — 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 2．在不同温度条件下，液态树脂在筏璃 面的凌 速度与接触 角都不 同．从 图二看 出液态 l91树 脂在过 口玻璃 纤维表 面上的浸润速嘘 是随温度升高而加快． 由于挤拉使用的是由无数纤维组成的一束无捻粗纱，因此在纤维间 构成 了大量的毛细管 ，若液体上纤维的接触角为 日。则玻璃纤维的润湿 不仅与 日有关，而且还与毛细上新现象有关．过程的推动力是弯月形曲 ． ． CosO 面两边的压力差，可由 Laplace公式得到：AP= 一式 中 R为毛 细管 的当量半径。为了促进毛细渗透，除了 AP要大外，还希望渗入毛 细管 的速度也大 。这可以应用 Poiseuille公式【3】与上式结合，在层流的 条件下可求得液体渗入圆柱形毛细管的速率表示式为 如 ￡GRCosO dt 铀 X 上式称为 Washburn 公式。式 中表明授润速度是与液体 的表 面张力 ． 接触角 8、毛细管当量半径 R成正比而与液体 的粘度 ，7成反比。x是液 体在 t时间内渗人的距离。积分上式可得 堕 对于 不为零的系统。结合 Young方程，比较符合人们 的实践经 验，更为直观的是以 8>90。lq不润湿，0=9O。叫做润湿 从表 1、表 2均可看 出 日越小，润湿越好，这 样进 口的玻璃纤维、润湿性就好。接 触角 日可 随温度开高而增加。也可 随着温度增加而减小，这决定于两相 表面熵的相对大小[4】。在正常湿度下一( )值很小约为 o．5度 ／℃。从 表 2可 以看出温度的变化。对接触角改变很小． 3 从能量的角度来考虑。具有较低的表面能液体才能与较高的表面 能固体表面结合。表面能的降低主要是极性成分降低引起的。非极性 (色散小)变化很小。从表 2可见进口玻璃纤维的表面能为 29．66达因／ 厘米 。极性分量 小，为 8‘89达因 ／厘米 。而 国产玻璃纤维的表面能 为33．3达因／厘米，极性分量高。为 29．4l达因／厘米。 4．由于浸润作用受不同温度的影响形成的动力学，而润湿过程的活 一 33 — 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 化能是决定浸滑反应是否进行的能量因索 液态树脂在玻璃纤维表面上 的澜湿．只有得到这一部分髓量才能活化使澜湿作用很好进行．浸澜过 程的活化能是根据在不同温度条件下。191聚酯在玻璃纤维表面上的初 始浸润速度，可用 Arrhenius方程式： tn 韧一等+c 式中 V韧一～不同的初始浸澜速度 R一一1．987卡 ／克分子度 T一一绝对强度 以 ln 初对 作图 (见图三)得直线求出直线斜率得 AE．液态 191 树脂在进口玻璃纤维表面上的活化镌为 O．37千卡／克分子，而国产纤维 为 3．44千卡／克分子． 二、结 束 语 近年来随着复合材料应用的扩大．我国引进了许多国外先进技术和 装备，开拓了机制玻璃钢成型工艺，因而对玻璃纤维的专用性要求越来 越高。只有充分了解玻璃纤维的浸润性对复合材料粘结力的影响、用少 量投资、少量人力在实验室里进行玻璃纤维浸润性的研究，并把它上升 到理论高度。才能更好吸收、消化国外先进技术，找出差距，尽快缩短 原材料国产化的进程． 有关浸润性的试验数据是经孙幕瑾、胡宝荣两位研究员的大力协 助．井得到他们的启发和指导。在此衷示衰心的谢意． 参 考 文 献 1，SB-312型浸捅测定仪使用说明书 2．孙幕瑾、胡宝荣等 《复合材料学报》1989~No3，P5 3．吴树森、章燕豪编著 界面化学 原理与应用 4．美S昃 著 高聚物的界面与轱合 (译文) 一 34 — 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆