硅灰石短纤维_玻璃纤维_环氧树脂增强体系性能的研究

1、第14卷1997年第2期5月复合材料学报ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICAVol.14No.2May1997硅灰石短纤维-玻璃纤维-环氧树脂增强体系性能的研究张显友韩焕梅()摘要,重点研究硅灰石短纤维玻璃纤维、粒径、填充量及表面改性等方面硅灰石短纤维具有明显的增强作用和电绝缘性,特别是对玻璃纤维垂直方向增,并可以有效防止缠绕制品开裂。利用硅灰石短纤维调节环氧灌注胶的粘度,可避免缠绕过程中的甩胶现象。借助扫描电镜,分析硅灰石短纤维在体系中的分散情况,并提出无机短纤维的增强模型。关键词硅灰石短纤维,玻璃纤维,环氧树脂,缠绕工艺,增强材料中图分类号V258.5硅灰石(CaSiO

2、3)短纤维是一种天然的偏硅酸钙1,具有完整的针状结构,其长径比为1220 1。这种针状晶体结构使得硅灰石作为树脂基复合材料的增强剂以改善复合材料的性能2。由于硅灰石是天然结晶物,纯度高、色泽洁白且有较高的熔点,使硅灰石短纤维具有优良的介电性、耐热性、耐候性和化学稳定性。近年来,由于超细粉碎技术及短纤维生产技术的发展,使得短纤维的加工和应用成为热门研究领域。尽管硅灰石短纤维与氧化铝晶须和钛酸钾晶须等短纤维相比,增强作用有一定差距,但其成本与其它晶须相比要低几十倍,甚至几百倍,因此受到国内外许多学者和应用厂家的重视。电抗器、助波器等产品用玻璃纤维环氧树脂咪唑缠绕复合工艺,一方面由于环氧胶的贮存期及

3、固化温度的限制,使玻纤上胶槽温度不高于50,因此环氧胶的粘度较大,造成玻纤浸渍环氧胶时,含胶量高,而在缠绕时由于飞速旋转产生严重的甩胶现象。另一方面,在固化过程中,由于环氧树脂固化物收缩性较大,产生较大的内应力,而导致缠绕制品开裂。为解决上述问题,本文研究了无机短纤维填充玻璃纤维环氧树脂缠绕复合体系。添加无机短纤维的主要目的是使上胶时(4550情况下)胶的粘度较低或不受影响,而在缠绕温度(室温)下,胶的粘度较大,从而避免甩胶现象发生。无机短纤维的填充,使固化物与玻纤垂直方向得到增强,同时无机短纤维的含量增加,使固化物的收缩率降低,从而防止缠绕复合体系的开裂。为了深入探讨无机短纤维玻璃长纤维环氧

4、树脂复合体系的性能和微观状态,本文借助扫描电镜对无机短纤维的分散情况进行分析,并建立了无机短纤维增强模型。本文于1995年12月27日收到修改稿,1995年8月24日收到初稿。国家科委“八 五”项目子项目© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 18复合材料学报第14卷1实验1.1实验材料双酚A环氧树脂E54、E56、E51岳阳树脂厂固化剂:2乙基4甲基咪唑玻璃纤维:E玻纤无捻粗纱8 2540硅灰石短纤维:2000目,长径比:15 1偶联剂:KH560硅烷1

5、.2试样制备1.2.1硅灰石短纤维的表面改性3,4天津树脂厂上海耀华玻璃厂梨树硅灰石矿业公司南京曙光化工厂将改性剂(KH2560),再经过干燥、过筛待用。1.2.2配胶4550下混合,排出气泡。其、胶盘及环氧柱,固化条件为:80,2h及155,2h。1.2.3将连续玻纤通过带有加热装置的环氧胶槽,浸胶的玻纤通过带有锯齿型的钉板,刮去多余的环氧胶,最后将上胶后的玻纤卷起来,室温下贮存,待缠绕用。将上胶后的玻纤按照实验标准进行缠绕实验,然后将缠绕件进行固化,固化条件:80,2h及155,2h。1.3性能测试1.3.1环氧固化物常规性能测试弯曲强度测试标准GB104279体积电阻率测试标准GB141

6、078抗压强度测试标准GB104179tg测试标准GB140978马丁耐热测试标准GB1035701.3.2环氧胶粘度测试利用DNJ21型旋转式粘度计测定不同温度下的粘度1.3.3环氧胶贮存期实验将配制好的环氧胶于室温下观察流动性,出现凝胶时,记下贮存期。1.3.4扫描电镜分析采用S2520型扫描电子显微镜进行分析实验。2结果与讨论2.1硅灰石短纤维含量对环氧树脂胶粘度及工艺性的影响在硅灰石短纤维含量不同时,环氧树脂胶的粘度随温度变化的情况列于表1中,由此绘制出粘度温度曲线见图1和图2。由图2可见,纯环氧固化剂体系的粘度温度曲线基本符合阿累RT尼乌斯公式=AeE ,但加入硅灰石短纤维的环氧树脂

7、胶的粘度随温度变化较快,加入硅灰石短纤维的环氧固化剂体系粘度温度曲线,对阿累尼乌斯关系式略有偏差。一般认为,加入填料体系的流动活化能E较大,因此其粘度对温度敏感,当温度升高时,体系粘度迅速降低。当填料的含量较低时,含填料胶的粘度与纯环氧胶的粘度随温度升高会出现交叉,即温度高于© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期张显友等:硅灰石短纤维玻璃纤维环氧树脂增强体系性能的研究19某数值时,含填料胶的粘度低于纯环氧胶的粘度,当然这个交叉幅度不很大。出现这一现

8、象的原因是无机填料以偶联剂进行表面改性,偶联剂分子在环氧胶体系中起到润滑增塑作用,从而降低了体系的粘度,在高于某一温度时,树脂分子链段运动性较大,填料的刚性作用减小,而偶联剂的润滑增塑作用超过了填料的刚性作用,因此表现为体系的粘度低于环氧胶的粘度。而在低于此温度时,填料的刚性作用相对增大,且占主导地位,超过了偶联剂的润滑增塑作用,因此表现为体系的粘度比纯树脂的粘度略大,也就是说偶联剂改性的硅灰石短纤维对粘度的影响,在低温时较大,而在高温时较小。当然填料含量较高时,在整个温度区间,起主导作用,所以粘度一直较大。表1 厘泊温度 E56E56+10%硅短E56+2648005850283708302

9、935316032200528752560341900204015621588389251185130040795106310387006188508356035987767054650751564459548402430505482503603654654021E56;2E56+10%硅短;3E56+20%硅短1纯E56+固化剂;2E56+固化剂+10%硅短图1硅灰石短纤维对环氧树脂粘度的影响图2硅灰石短纤维环氧树脂体系ln21 T关系曲线上述实验结果对缠绕工艺十分有益。玻纤在45左右浸胶时,由于硅灰石短纤维对胶粘度影响不大,不会造成上胶量加大,而胶中硅灰石短纤维的含量为10%,所以与纯环氧

10、树脂胶相比,上胶量可以降低10%左右,上胶后的玻纤在室温下缠绕,含硅灰石短纤维环氧胶的粘度较大(高于1000cp),在缠绕速度不变时,就可以大大减少甚至避免甩胶现象发生,而且还可以减少缠绕后胶的流挂现象。2.2硅灰石短纤维环氧树脂咪唑固化物的性能硅灰石短纤维环氧树脂咪唑固化物及不同牌号环氧树脂咪唑固化物的主要性能列于表2中,其中各配方固化剂用量相同(2.5%EMI22.4),固化条件为80、2h及155、2h,且为了考察硅灰石短纤维的作用,除实验5、6外,各配方均未加入玻纤。实验结果表明,填充硅灰石短纤维体系的力学性能和耐热性能均高于未填充体系,特别是抗压强度高出一倍多。由此说明,硅灰石短纤维

11、的补强作用以及偶联剂的作用,因为KH2560© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 20复合材料学报第14卷表2硅灰石短纤维含量对环氧树脂胶性能的影响实验号123456环氧树脂种类E51E51E56E56E56+玻纤E56+玻纤硅灰石用量%010010010马丁耐热 129143154156-弯曲强度 MPa65857591-抗压强度 MPa149.8216.5140.0283.9167.7235.V20 8 m2.02×10133.00

12、5;10131.07×10141.20×1013-tg0.00940.01140.00470.0117-贮存期 天6.06.510.010.510.010.0是含有环氧基的硅烷偶联剂,直接参与固化反应,从而大大改善界面结合情况,因此提高了复合材料的机械强度。,而介质损耗略有上升。,具有一定的结构缺陷,从而能够吸附对电性能有。至于介质损耗略有升高主要是由于偶联剂等未偶。环氧树脂玻璃纤维缠绕体系存在的主要问题是甩胶和开裂,甩胶可以通过添加硅灰石短纤维,调节环氧胶的粘度来解决,且由于硅灰石短纤维的增强作用,可以减少或避免缠绕体系的开裂。玻璃纤维环氧柱的抗压强度是衡量缠绕体系开裂的

13、重要指标,抗压强度低,缠绕体系易开裂,抗压强度高,缠绕体系不易开裂。实验结果表明,适当添加硅灰石短纤维可以明显提高玻璃纤维环氧柱的抗压强度,因此在环氧胶中添加硅灰石短纤维,不仅防止了缠绕体系固化后的开裂,而且避免了缠绕过程中的甩胶现象。硅灰石短纤维玻璃纤维环氧树脂缠绕工艺实验也证实了上述实验结果。2.3扫描电镜分析及增强机理的研究2.3.1电镜分析由图3硅灰石短纤维扫描电镜照片可以看出,硅灰石粉为短纤维结构,其长径比平均值为15 1。图4是硅灰石短纤维玻璃纤维环氧树脂固化物的扫描电镜照片,贯穿整个画面的长图3硅灰石短纤维电镜照片图4硅灰石短纤维玻璃纤维环氧树脂固化物电镜照片© 199

14、4-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期张显友等:硅灰石短纤维玻璃纤维环氧树脂增强体系性能的研究21纤维是玻璃纤维,是采用缠绕工艺制备的样品,其中短纤维就是硅灰石短纤维。玻璃纤维缠绕方向平行于地平面时,则由于重力的作用产生局部流挂,使硅灰石短纤维具有垂直于玻纤方向(地平面)的优势取向,由此可说明硅灰石短纤维在垂直于玻纤方向上的增强作用,从而避免了缠绕体系在垂直于玻纤方向上的开裂现象。2.3.2无机短纤维玻璃长纤维环氧树脂固化物增强机理探讨综上所述,提出无机短纤维增强玻璃

15、长纤维环氧树脂缠绕体系模型见图5。浸透环氧胶的玻纤缠绕后间距2030m,而E玻纤无捻粗纱一般纤维直径在513m,如果无机短纤维的粒径为5815) 1的无机短纤维的纤m,则长径比为(12维长度为6090从增强的角度看,m。的长度越长越好,图5无机短纤维增强模型。因为无机短纤维的粒径过小,使硅烷等改性剂用量增加,同时对无机短纤维在胶中的分散不利,。无机短纤维的填充量不宜过高,一般在10%左右,因为过高,将影响玻纤的浸胶质量,且使环氧胶的粘度增加。为了得到更高性能的无机短纤维长玻璃纤维环氧树脂缠绕系统,采用合成的2Al2O3及硝酸钾晶须作为无机短纤维增强材料,增强机理类似,但与硅灰石短纤维的成本相比

16、将高出3050倍,尽管目前国内外的研究报导不多,但随着无机短纤维和晶须的不断发展,今后将在许多领域得到应用。3结论(1)硅灰石短纤维在玻璃纤维环氧树脂缠绕体系具有显著的增强作用,特别是抗压强度提高近一倍。(2)硅灰石短纤维的填充,可以有效地调节环氧胶的粘度,防止或减少缠绕时的甩胶现象。(3)扫描电镜分析进一步指出,硅灰石短纤维在垂直于玻璃纤维方向增强的优势取向,探讨了无机短纤维的最佳粒径及长径比和玻璃纤维直径的关系。参考文献1HS卡茨主编,李佐邦等译。塑料用填料及增强剂手册.北京:化学工业出版社,19852张显友等.软聚氯乙烯硅灰石复合体系流动性的研究.哈尔滨电工学院学报,1990,(3):2

17、792853ZhangXianyou.Interfacebetweeninorganicfillersandpolymers.Procofthe4thInternationalConferenceonPropertiesandApplicationsofDielectricMaterials,Australia,19944张显友.硅灰石粉在电工材料中应用研究.第四届中国青年材料科学研讨会论文集,武汉,1993© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 22复合

18、材料学报第14卷STUDYONWOLLASTONITESHORTFIBER-FIBERGLASS-EPOXYRESINCOMPOSITEZhangXianyouHanHuanmeiChenPingWeiXinlao(HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150040)AbstractTheelementalcomposition,propertiesandmainusesofthewollastoniteshortfiberweredescribed.Thewollastoniteshortfiber2fiberglass2epoxyresi

19、n2EMcompositewasstudied.Slendernessratio,particlesize,contentsutwollas2toniteshortfiberwerediscussed.Theexperimenwrtfiberisakindofinorganicfillerwithgood,thereinforceisdehiscenceoftheenwoundprod2veryremarkableintheuctwasavoided.Brtfiberregulatedtheviscosityoftheepoxyresinp,itwouldbeavoidedthattheepo

20、xyresinwasthrownwhenenwound.Thedistributionofthewollastoniteshortfiberinthesys2temwasservedbymeansofSEMandareinforcemodeloftheinorganicshortfiberwasadvanced.Keywordswollastonicshortfiber,fiberglass,epoxyresin,enwindingmaterials(上接第11页)JohnB.Scalzi(美):NSFResearchonAdvancedComposites.AftabMufti(加):Inn

21、ovationsinStructureswithACM:NewFrontiersinCanada.UrsMeier(瑞士):InfrastructureANewTremendousPotentialforAdvancedMaterials.PeterHead(英):AdvancedCompositesinCivilEngineeringACriticalOverviewatthisHighInterest,LowUseStageofDevelopment.FriederSeible(美):AdvancedCompositesMaterialsforBridgesinthe21stCentury

22、.AntonioNanni(美):InternationalResearchActivities.R.M.Measures(加):FibreOpticSensorInstrumentedBridges221stCenturyInformationHighways. L.C.Bank,A.ShapiraandY.Frostig(美):Three2DimensionalPultrudedReinforcementCagesfor.ConcreteBeams T.C.Triantafillou(希腊):InnovativeStrengtheningofMasonryMonumentswithComposites.K.Aoyagi,T.Yoshida,Y.YamazaiandK.Maruyama(日):NewMaterialGrou