玻璃纤维生产工艺的影响范文

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摘要:

研究了A－1100和A－187两种硅烷偶联剂对玻璃纤维拉丝成型工艺、络纱工艺、原丝硬挺度与玻璃纤维及其复合材料界面性能的不同影响。结果显示:A－1100浸润剂体系更有利于玻璃纤维的拉丝成形，拉伸强度更高;相比之下A－187生产的玻璃纤维原丝更加柔软，具有更优的加工性能，粗纱毛羽极少;此外，在环氧树脂－酸酐体系中，涂覆含A－187浸润剂的纤维复合材料具有更高的界面剪切强度和湿态强度保留率。

关键词:

硅烷偶联剂;玻璃纤维;加工性能;界面性能

硅烷偶联剂是偶联剂中最为重要、品种最为繁多的一类，是玻璃纤维浸润剂中主要及最重要组分之一。在玻璃纤维及相应的复合材料、工业领域应用中，有机硅烷可被视为最重要的、不可缺的一种化学品［1－2］。多功能的硅烷分子能明显改进玻璃纤维与高分子树脂基体之间的粘结水平，从而改善复合材料的界面强度和耐湿热性能［3－4］。硅烷偶联剂具有通用的结构［X-Si(OR)3］，其中R为甲基、乙基基团，X为活性的有机官能团。当硅烷在水性浸润剂中应用于纤维处理时，先水解成硅烷醇，硅烷醇不稳定，可以通过脱去一个水分子，凝聚在纤维上形成硅氧烷。纤维表面的Si-OH基团也参与到这个过程中，其结果是硅氧烷网络与玻纤表面形成共价键合。当纤维应用于增强树脂基体时，硅烷的X活性基团还可以与树脂的活性基团反应，形成桥接纤维－聚合物的强大网络。当基体树脂为热固性，因为硅烷上的X基团有机会与基体组分发生反应，这种反应可以直观地接受为硅烷偶联剂在玻璃纤维增强聚合物基复合材料的界面中的化学性质［5-6］。已有大量的文献证明硅烷偶联剂可以提高玻璃纤维的强度保留率、复合材料的力学强度和耐疲劳性能等，不同种类的硅烷偶联剂应用效果均不相同［7-9］。A－1100(γ－氨丙基三乙氧基硅烷)与A－187(γ－缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)是玻璃纤维增强环氧树脂复合材料中最常用的两种偶联剂。在工业生产中，会依据环氧树脂所用固化剂的种类选择合适的偶联剂，J．L．Thomason在一篇文章中称环氧基偶联剂不适用胺类固化环氧体系中，涂覆A－187玻纤增强酸酐固化环氧树脂的层间剪切强度(ILSS)是其增强胺固化环氧树脂的3倍［10］。然而不同硅烷偶联剂对玻璃纤维的生产工艺性能如拉丝作业情况及络纱工艺的影响也不尽相同，玻璃纤维的成型工艺性能与纺织加工性能对其力学性能及复合材料的性能有重要的影响。本文主要研究含硅烷偶联剂A－1100和A－187的浸润剂对玻璃纤维拉丝成型工艺、络纱工艺与玻璃纤维力学强度及复合材料界面性能的影响。

1试验部分

1.1试验原料玻璃纤维:HS高强玻璃纤维;成膜剂:环氧乳液;润滑剂:NBR－1090;偶联剂:A－1100和A－187。

1.2仪器设备拉丝机:自动换筒拉丝机，型号TL200，杭州萧山天成机械有限公司制造;络纱机:大卷装无捻粗纱机，型号XL901A，杭州萧山天成机械有限公司制造;纱线强力试验机:型号CSS－44020，长春试验机研究所;NOL环制样装置:按标准要求加工，中材科技股份有限公司;万能试验机:CMT5101微机控制电子万能试验机，美特斯工业系统有限公司深圳分公司。

1.3样品制备及测试依据

1.3.1样品制备浸润剂配方:配制两种浸润剂，配方A和配方B，两种配方成膜剂、润滑剂及其他助剂种类和用量均完全一样，仅偶联剂不同，配方A为A－1100，配方B为A－187。拉丝工艺:池窑拉丝，缝隙排线工艺，HS2高强单丝直径11μm，原丝线密度为48tex;HS4高强单丝平均直径10μm，原丝线密度为80tex。

1.3.2测试依据硬挺度:依据国家标准GB/T7690.4-2013《增强材料:纱线试验方法》中第4部分“硬挺度的测定”。玻璃纤维粗纱拉伸断裂强度:依据国家标准GB/T7690.3-2013《增强材料:纱线试验方法》第3部分“玻璃纤维断裂强力和断裂伸长的测定”。毛羽:通过玻璃纤维粗纱团端面断丝数量估测。NOL环层间剪切强度样品制备及测试:依据进行干湿态层间剪切强度测试，其中湿态层间剪切强度应将试样置于沸水中煮24h后测试。

2结果与讨论

2.1硅烷偶联剂种类对玻璃纤维原丝成形工艺的影响含不同硅烷偶联剂的浸润剂对拉丝工艺的影响主要体现在拉丝机设定的原丝满筒时间(即卷绕一满筒原丝的时间)内原丝在纸筒铺展情况是否正常，配方A和配方B分别拉制HS2高强玻璃纤维(48tex，11μm)和HS4高强玻璃纤维(80tex，10μm)满筒设定时间对比如表1所示，表中以A配方设定时间为基准，设定为1。本次试验均是缝隙排线工艺。原丝满筒时间的长短则代表原丝在纸筒表面卷绕的厚度的大小，对应每筒原丝的质量的大小。满筒时间越长，则厚度越大，质量越高。由表1可知，含A－1100的浸润剂拉丝满筒时间HS2和HS4均比含A－187浸润剂的样品更长。当浸润剂中含偶联剂A－187时，若拉丝机设定满筒时间大于表中所设定的比例时，原丝卷绕过程中则会出现“喇叭丝”，即原丝卷绕松散而紊乱，不贴附纸筒壁而呈“喇叭”状，这种原丝不能进入下一道加工工序，只能作废丝处理。原丝成型时间不同是由于浸润剂的特性不同所致，“喇叭丝”是由于玻璃纤维涂覆浸润剂后表面太光滑，在卷绕过程中，原丝卷绕到一定厚度后容易打滑导致。对比A、B两种浸润剂，唯一区别在于硅烷偶联剂，含有A－187的浸润剂非常滑，而A－1100无明显的滑手感。将A－1100和A－187分别单独水解，A－187的水溶液有明显的滑手感，而A－1100无。浸润剂B在未加A－187溶液之前无滑手感，加入A－187后非常滑，因此配方B拉丝满筒时间短或者易出现“喇叭丝”现象是由A－187所致。在缝隙排线工艺中，A－1100和A－187对拉丝成型工艺的影响有明显差别，从玻璃纤维生产效率上，A－1100明显优于A－187。缩短原丝卷绕满筒时间会降低玻璃纤维生产效率，因此在生产含有A－187的浸润剂配方或者很滑的浸润剂配方的玻璃纤维时，使用缝隙排线工艺会降低生产率。

2.2硅烷偶联剂种类对玻璃纤维原丝硬挺度及络纱毛羽的影响配方A和B生产的HS高强玻璃纤维原丝的硬挺度如表2所示，配方A生产的HS高强原丝硬挺度均明显比配方B高，同种配方的原丝硬挺度基本相同，配方A的原丝有着较高的硬度，而配方B的原丝比较柔软，说明配方A在玻纤表面形成的膜比配方B硬，这是由于A－1100分子中含有高活性的氨基基团，在原丝在烘干过程中，A－1100与环氧乳液成膜剂中的环氧树脂发生化学交联反应［10］，提高了膜的硬度，而A－187为环氧基硅烷偶联剂，与浸润剂其他组分没有化学反应，成膜柔软。表3为A和B两种配方的HS2与HS4原丝经过络纱机合股的无捻粗纱端面毛羽数量，配方A的粗纱端面有较多的2～3cm长毛丝，而配方B粗纱端面基本无毛羽，说明在此浸润剂体系中，相同络纱工艺条件下，涂覆含A－187的浸润剂的玻璃纤维原丝具有更好的加工性能，这可能主要与原丝的硬挺度有关，A配方原丝过硬，在络纱过程中易折断，导致较多的断丝，B配方的纱线柔软，且更光滑，有利于纱线加工，可提高络纱速度，提高生产效率。另外，纱线具有良好加工性能有利于复合材料的制备以及提高纤维在复合材料的中的有效长度，提高复合材料的力学性能。

2.3硅烷偶联剂种类对玻璃纤维粗纱强度的影响含有A－1100配方A生产的HS2高强玻纤粗纱强度比配方B的粗纱强度高8.7%，配方A的HS4高强玻纤粗纱比配方B的高11.4%。很明显，A－1100体系的浸润剂对纤维强度保留率效果更优，这主要是因为不同的硅烷偶联剂以不同的结构方式吸附于玻璃纤维表面;A－1100相比A－187具有更有效的抵抗摩擦和水浸蚀的作用［11］;此外，A－1100与环氧树脂成膜剂反应使纤维表面浸润剂膜强度更大，导致纤维强度更高。

2.4硅烷偶联剂种类对界面性能的影响玻璃纤维增强树脂基复合材料界面性能通过NOL环层间剪切强度来评价，表5为HS2高强纤维的干、湿态下NOL环层间剪切强度和湿态强度保留率，树脂基体为环氧树脂－酸酐固化剂体系。由表5数据可知，在环氧－酸酐体系中，A－187浸润剂的NOL环剪切强度干态、湿态以及湿态保留率均高于A－1100浸润剂，说明在酸酐固化剂体系中使用A－187具有更优界面性能。

3结论

硅烷偶联剂除了对玻璃纤维复合材料的力学性能有着重要的影响，其对玻璃纤维拉丝成型工艺和络纱工艺也有不同的影响。在缝隙排线工艺中，含A－1100的浸润剂赋予玻璃纤维原丝卷绕满筒时间更长，比A－187具有更优的成型性能和生产效率。在合股纱络纱过程中，A－1100体系产生的毛丝比A－187多，含有A－187的浸润剂生产的原丝具有更好的加工性能。与A－187相比，A－1100具有更有效地抵抗摩擦和水浸蚀的作用，使玻璃纤维具有更高的拉伸强度;在酸酐固化环氧基体中，A－187浸润剂的纤维增强复合材料具有更优异的界面性能。

作者：尹苗 李佳 贺明强 曹平 单位：中材科技股份有限公司