复合材料与设计-ch3

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1、第三章 增强纤维,内容提要,3.1 概述 3.2 玻璃纤维 3.3 碳纤维及其表面处理 3.4 芳香族聚酰胺纤维 3.5 聚芳酯（芳香族聚酯纤维） 3.6 HSPE及其表面处理,3.1 概述： 在CM中，材料的力学性能（强度和模量等）主要由增强材料决定的，因此，对增强材料的要求比较高，通常使用高性能纤维。,什么是高性能纤维?,一般指: 强度17.6 CN/dtex，模量440 CN/dtex 的纤维,CN：厘牛，代表的是力 ;,dtex：分特克斯，10000米（10公里）纤维束的重量克数; tex: 特克斯，1000米纤维束的重量克数 , 1tex=10-6 kg/m定长法 d: 旦尼尔, 9

2、000米纤维束的重量克数 : 支数 , 指lg(原)纱的长度(m)定质量法 1dtex=tex/10=d/9,高性能纤维包括,此外，还有金属纤维,PM,一些常见纤维的力学性能比较,一些常见纤维的力学性能比较,表面处理 表面处理的目的 改进纤维与基体之间的界面结构，改善两者的复合性能。 表面处理方法 物理方法：偶联剂； 化学方法：表面化学反应、plasma等离子体。,平纹,斜纹,缎纹,席纹,每根经纱(或纬纱)，交替地从一根纬纱(或经纱)的上方和下方越过的织纹。平纹结构最稳定，布面最密满，适于作平面的玻璃钢制品。铺覆性最差。在各种织纹中，平纹结构的强度最低。,指经纬纱以三上一下的方式交织所形成的织

3、纹。斜纹布的悬垂性比平纹布好，铺覆性较好，强度也高于平纹布，手感柔软，但稳定性比平纹布差。,指纬纱以七上一下的方式交织所形成的织纹。这种织纹虽不如平纹稳定，但由于浮经或浮纬较长，纤维弯曲少，故制成玻璃纤维增强塑料制品的强度较高，铺覆性最好。,两根或多根经纱，在两根或多根纬纱的上下进行交织的织物，席纹虽不如平纹布稳定，但它比较柔顺，更能贴合简单的形状。,纤维织物,指每一根纬纱处有两很经纱绞合的组织。其特点是稳定性很好厚度一般约为0.130.18mm。用于需要变形最小，经纬密低的地方，例如作为表面织物。,罗纹（纱罗）,3.2 玻璃纤维 3.2.1. GF的构成及分类, 基本构成 玻璃主要由SiO2

4、四面体、Al2O3三面体或硼氧（B2O3）三面体相互连成不规则三维网络结构。网络空间由Na、K、Ca、Mg等金属阳离子所填充。,以SiO2为主的称硅酸盐玻璃；以B2O3为主的称硼酸盐玻璃。 玻璃中的Na2O、K2O等碱性氧化物为熔融氧化物，它可以降低玻璃的融化温度和粘度。主要通过破坏玻璃的骨架体疏松达到助熔的目的。因此Na2O、K2O的含量越高，GF的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。 加入CaO、Al2O3能在一定条件下构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的条件性质和工艺性能。用CaO取代SiO2可降低拉伸温度， Al2O3可提高耐水性。 因此可以按照碱金属氧化物的含量来对GF分类。,

5、分类 按化学组成分,有碱玻璃纤维 A: 碱金属氧化物的含量大于12中碱玻璃纤维 C: 碱金属氧化物的含量612无碱玻璃纤维 E: 碱金属氧化物的含量低于2高强玻璃纤维 S Mg-Al-Si系 或B2O3系高弹玻璃纤维 M S系中加入BeO,通常碱金属氧化物含量高时，玻璃易熔易抽丝，产品成本低，这种玻璃纤维的特点是耐海水腐蚀性好，可供一般要求使用。民用建筑中多使用低碱或中碱玻纤维，电器及军工产品都选用无碱玻璃纤维。,粗纱 30m 无捻粗纱、无纺布初级纱 20m 短切纤维、纤维毡中级纱 1020m 高级纱 310m 纺织,玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。,单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻

6、m为单位,加捻的作用： 提高纤维的抱合力 改善单纤维的受力状况， 利于纺织工序的进行。 缺点： 捻度过大不易被树脂浸透。,(3)玻璃纤维纱的规格,3.2.2. GF的性质 物理性质 密度为2.5-3 g/cm3 电绝缘性与其中碱金属的含量有关； 耐热性：软化点为550580； 石英和硅氧玻璃的耐热性可达2000。 化学性质 有影响的化学试剂HF、NaOH、浓磷酸。, 机械性质 注：MGF为加入BeO，MgO（高弹性能）,注：从玻璃块和EGF可以看出，玻璃加工成纤维后，其强度提高了2050倍。,3.2.3. 玻璃纤维的生成流程,制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝（102、204、408孔）涂浸润剂并

7、股成纱纺织成布、毡或带。,坩埚法拉丝、池窑漏板法拉丝,(1) 坩埚法拉丝工艺,(2) 池窑漏板法拉丝工艺,连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方法。 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。,池窑拉丝(与坩埚拉丝相比较)的优点：,1. 省去制球工艺，简化工艺流程，效率高； 2. 池窑拉丝一窑可安装10块到上百块漏板，熔量大，生产能力高； 3. 易实现自动化； 4. 适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维； 5. 生产的废纱便于回炉。,玻璃纤维制品的生产工艺,主要设备：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

8、纤维毡生产示意图,3.2.4. GF的表面处理, 浸润剂 浸润剂的作用 使多根单丝集中成股； 增加原纱的耐磨性和提高拉伸保护； 保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。 纺织型浸润剂 为了满足纺织工序的要求。具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。使用前必须对纤维和织物进行表面处理。,纺织型浸润剂,淀粉浸润剂,石蜡乳剂,淀粉为主要的成膜剂优点：费用低、成膜性好、易除掉,主要成分：石蜡、凡士林、硬脂酸、变压器油等 优点：润滑性、集束性好, GF表面处理的意义,玻璃钢的性能不仅与所使用的增强材料、基体树脂有关，而且很大程度上还与增强材料和合成树脂的界面结合好坏有关。 表面处理就是在GF表面被覆一种叫

9、表面活性剂的特殊物质，使GF与基体树脂牢固的粘结在一起，以达到提高玻璃钢性能的目的。这种表面活性剂又称作“偶联剂”或“架桥剂”。 GF及织物经过适当的表面处理后，不仅改进了玻璃纤维的耐磨、防水、电磁绝缘等性能，而且对玻璃钢的强度，特别是湿态下的强度提高有显著效果。,增强型浸润剂 在一定粘度上能满足拉丝工艺要求，而且对纤维和树脂粘结影响不大。因此，在做CM时，不必除去。, 表面处理剂（偶联剂） 偶联剂是一种含有两部分性质不同的基团的化合物。其中一种官能团能很好的与GF表面结合（一般是物理吸附）；另一种官能团能很好的与基体树脂结合（可以是物理的，也可以是化学的，如共聚等）。 通过表面处理剂把两种性

10、质截然不同的材料联合起来，形成一个统一的整体。,几种常见的GF偶联剂 有机铬：最有名的称“沃兰（Volan）”。 甲基丙烯酸氯化铬络合物 适应树脂：酚醛、聚酯、环氧、PE、PMMA等。, 有机硅处理剂 通式：RnSiX4-n 式中R含有与基体树脂作用形成化学键的活性基团，如： X易于水解的基团，水解后易与玻璃作用，n1，2，3（1最常见）如： CH2=CH-Si-(OC2H5)3 H2N-(CH2)3-Si-(OC2H5)3, 有机钛酸酯,这是一类近后来发展迅速的表面处理用的偶联剂，多应用在热塑性树脂增强剂的表面处,2)由于分子结构中长碳链基团的存在，可改进热塑性塑料的抗冲强度，提高润滑性能，

11、同时还有很好的增塑效应。3)当以甲基丙烯酸酯官能基接到钛酸酯主链上时，可提供一个好的反应区间，使无机填料以化学键的形式按在聚合物分子链上。,1) 具有酯交换功能，因此能与填料和聚合物基体发生交联，也能与环氧树脂中的羟基起酯化作用，这就是某些钛酸酯能使环氧树脂粘度降低的原因。, GF表面处理方法 后处理法 在制作玻璃钢前，先将GF表面的纺织型浸润剂去除后再浸处理剂溶液。 特点：投资大，工艺复杂。 前处理法 在拉丝过程中的浸润剂中加入GF的表面处理剂，即增强型浸润剂。 特点：工艺简单，不浪费。 迁移法 将化学处理剂直接加入到树脂胶液中。在浸胶时，处理剂就“迁移”到GF表面。,1）石英玻璃纤维石英玻

12、璃纤维具有很高的纯度，其二氧化硅（SiO2）含量达到99.9以上。因而石英玻璃纤维具有很多优异的性能: 耐高温、耐烧蚀、低导热、抗热震、优良的介电性能和良好的化学稳定性等。,2） 高硅氧玻璃纤维高硅氧纤维的生产：将高钙的硼硅酸盐玻璃纤维用酸处理，溶析出可溶性成分，从而制得含SiO2高达9099的纤维。也可用含碱纤维的化学提纯法制得。 这种纤维能耐1700 以上高温，但纤维强度低，只为无碱玻璃纤维的2050。,3.2.5 特种玻纤,3）低介电玻璃纤维低介电玻璃纤维（简称D玻璃）是一种低密度、低介电常数和损耗，且介电性能受频率、温度变化小的特种玻璃纤维，具有宽频带高透波的特性。广泛用于飞机雷达罩、

13、电磁窗、隐身和制作高级印刷线路板。,注：表中介电性能是块玻璃值。,国内外D、E玻璃纤维性能,4）高模量玻璃纤维,氧化铍具有大幅度提高玻璃纤维弹性模量的效能。高弹玻璃纤维分为含铍与不含铍的两种。含铍的高弹玻璃纤维，如美国的YM3A玻璃(M玻璃),氧化铍有剧毒在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬、钍、钽、铌等氧化物，也可以提高玻璃的弹性模量。其纤维的弹性模量高达12104MPa，但拉丝成型较困难。,5）高强度玻璃纤维镁铝硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃两个系统。镁铝硅酸盐玻璃的主要成分为(质量)：SiO2：65，Al2O3：25，MgO：10。拉丝成型温度需要1500度以上拉丝工艺特殊，成本也比较高。实际生产的

14、高强度玻璃纤维(称为S玻璃纤维)是对上述成分略加调整(引入了6.510的Na2O和2.5的Sb2O3)，以降低玻璃的熔制和拉丝成型温度并加入了36的CaO，以提高其弹性模量。,6）空心玻璃纤维采用铝硼硅酸盐玻璃成分，用特制坩埚拉制而成的。坩埚有50孔与102孔两种。纤维的空心率为10%65，外径为1017 m。此种纤维质量轻，介电常数低，但较脆。一般以20股无捻粗纱形式使用，主要用于宇航及水下设备中。,3.3. 碳纤维及其表面处理 3.3.1.概述,CF是指纤维化学组成中碳元素占总质量90以上的纤维。它是有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成的纤维状的碳化物。 其典型的特点是：比强度、比模量高，性

15、脆。,碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法上看，它又不同于普通无机纤维。,1879 爱迪生用油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝 1882 碳丝电灯实用化 1950 美国WrightPatterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维 1959 美国UCC公司生产低模量粘胶基碳纤维“Thornel-25” 日本大阪工业试验所的進藤昭男发明了PAN基碳纤维 1963 英国皇家航空研究所（RAE）的瓦特和约翰遜成功地制造 出高性能PAN基碳纤维（在热处理时施加张力） 1965 日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国UCC公司开始生产高模量粘胶基碳纤维 1971 日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维（1吨/月），碳纤维的牌号为T300，石墨纤维为M40 1972 美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒 1984 日本东丽公司研制出高强中模碳纤维T800 1986 日本东丽公司研制出高强中模碳纤维T1000 1989 日本东丽公司研制出高模中强碳纤维M60,