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(dāng)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(yīng)用迅速擴大，對于玻璃纖維性能的研究也相當(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的強度就越高。由于單質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料，目的在于取得單質(zhì)材料所沒有的性能和經(jīng)濟效益，因此研究復(fù)合材料的性能，不僅在于原材料、復(fù)合過程和復(fù)合結(jié)構(gòu)，更重要的要看最后的復(fù)合效果。這將有利于指導(dǎo)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(zhuǎn)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(fù)合材料的生產(chǎn)效益，尤其是大結(jié)構(gòu)復(fù)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 原材料及制備工藝
1.1.1 原材料
玻璃纖維：統(tǒng)一采用山東泰山復(fù)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(xué)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(fù)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(dāng)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(jié)果與討論
2.1 玻璃纖維直徑與單絲拉伸強度的關(guān)系
玻璃纖維單絲拉伸強度試驗結(jié)果見表1及圖1(略)。
表1 不同直徑的纖維強度
平均直徑/μm 13.6 15.3 24.4 29.8
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(dāng)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(jié)構(gòu)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(gòu)成了玻璃的不均一性，玻璃中存在著弱鍵，構(gòu)成了產(chǎn)生大小不同的微裂紋的有利條件。當(dāng)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(dǎo)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(yīng)力，這種應(yīng)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(jié)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(xué)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(xué)反應(yīng)，因此基體與纖維間產(chǎn)生化學(xué)鍵而結(jié)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(jié)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(yīng)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(jié)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
纖維直徑/μm 23 1l 8
彎曲強度/MPa(干態(tài)) 1070 921 848
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(jié)強度，將大大超過樹脂的內(nèi)聚強度。玻璃纖維與樹脂的結(jié)合模式屬于機械粘結(jié)與潤濕吸附。機械粘結(jié)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(jié)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(fù)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(fù)合材料的強度提高。水等低分子物質(zhì)浸入后，復(fù)合材料的強度下降，但干燥后強度又能部分恢復(fù)。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(yīng)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(yīng)力的能力增加，故強度部分恢復(fù)。
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(yīng)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(jié)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(jié)。
玻璃纖維復(fù)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(xué)變化，引起界面粘結(jié)破壞，致使復(fù)合材料破壞。
復(fù)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(fù)合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應(yīng)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(zhì)，尤其是水溶性無機物雜質(zhì)，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(fù)合材料制備過程中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，也會在復(fù)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(yīng)力。這種應(yīng)力超過樹脂與玻璃纖維間的粘結(jié)強度時，則界面粘結(jié)發(fā)生破壞，因此，復(fù)合材料的強度會很快降低甚至完全破壞。
3 結(jié)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(fù)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(fù)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。
