玻璃纖維浸潤(rùn)劑

玻璃纖維浸潤(rùn)劑這一名稱(chēng)是從物理學(xué)上的“浸潤(rùn)”衍生而來(lái)。在物理學(xué)上，“浸潤(rùn)”定義如下：“當(dāng)液相與固相接觸時(shí)，液相可以沿著固相表面不斷擴(kuò)展而相互融合，此現(xiàn)象稱(chēng)為浸潤(rùn)；反之，液相表面不斷收縮，則稱(chēng)之為不浸潤(rùn)?！?/span>

玻璃纖維浸潤(rùn)劑能改變玻璃纖維的表面狀態(tài)，不僅滿足了玻纖原絲后道工序加工性能的要求而且在復(fù)合材料中還能促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)體與高分子聚合物基體的結(jié)合，是決定玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最終性能的重要因素。

玻璃纖維浸潤(rùn)劑可分為三大類(lèi)，一類(lèi)是紡織型浸潤(rùn)劑，第二類(lèi)是增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑，還有一類(lèi)是增強(qiáng)紡織型浸潤(rùn)劑。浸潤(rùn)劑通常由成膜劑或粘結(jié)劑、偶聯(lián)劑、抗靜電劑、潤(rùn)滑劑、保濕劑、調(diào)節(jié)劑等多種組分組成，一般配制成固含量為5%-10%、以水為介質(zhì)的乳液，是影響玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

玻璃纖維浸潤(rùn)劑的主要作用是連結(jié)玻璃纖維和基體樹(shù)脂并在界面層傳遞應(yīng)力，具有以下性能：

1.浸潤(rùn)劑中的偶聯(lián)劑必須起到橋梁的作用，在復(fù)合材料制備過(guò)程中能與纖維中的二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合，并能和聚合物基體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合；

2.浸潤(rùn)劑中的成膜組分對(duì)玻璃纖維表面具有良好的粘結(jié)作用，與樹(shù)脂有良好的相容性，同時(shí)產(chǎn)生固化反應(yīng)。

3.浸潤(rùn)劑中的潤(rùn)滑劑、抗靜電劑等也必須能溶解或擴(kuò)散于基體樹(shù)脂中，盡量減少各種助劑對(duì)界面粘結(jié)的影響。玻璃纖維浸潤(rùn)劑，經(jīng)加熱烘干后形成厚度極小的薄膜。偶聯(lián)劑吸附在玻璃表面并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，成膜劑，在原絲烘干過(guò)程中聚結(jié)成樹(shù)脂層膜，對(duì)原絲起著集束和保護(hù)作用，各種助劑在成膜過(guò)程中遷移到浸潤(rùn)劑膜的表面，直接與氣相接觸，這幾個(gè)組分在烘干溫度下相互擴(kuò)散，相互融合，形成一個(gè)有濃度梯度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)層。

浸潤(rùn)劑的作用

浸潤(rùn)劑的作用可概括為以下四個(gè)方面：

1.潤(rùn)滑保護(hù)作用。包括玻璃纖維池窯拉絲過(guò)程中的濕潤(rùn)滑以及玻璃纖維后加工過(guò)程中所需的干潤(rùn)滑。濕潤(rùn)滑指浸潤(rùn)劑中的“潤(rùn)滑劑組分”在玻璃纖維拉絲過(guò)程中使玻璃纖維原絲與涂油器及集束槽之間保持一定潤(rùn)滑。干潤(rùn)滑指在后加工過(guò)程中避免玻璃纖維原絲與紡織機(jī)械之間由于摩擦系數(shù)過(guò)大而引起的原絲張力不均，進(jìn)而造成飛絲及原絲退解困難。

2.粘結(jié)集束作用。浸潤(rùn)劑中的成膜劑粘結(jié)組分可以使玻璃纖維單絲粘結(jié)成一束玻璃纖維原絲，保證原絲的完整性，避免應(yīng)力集中于一根或數(shù)根單絲上，以減少斷絲或散絲，便于原絲筒的退解及玻璃纖維紗的紡織后加工，保持玻璃纖維紗的完整性、流動(dòng)性，減少因施加張力而產(chǎn)生的毛團(tuán)。

3.為玻璃纖維提供后續(xù)加工和應(yīng)用所需的特性。包括短切性、成帶性、分散性等，特別是玻璃纖維在樹(shù)脂等基材中所要求的能夠迅速浸潤(rùn)的性能等。

4.使玻璃纖維增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體具有良好的界面相容性及界面化學(xué)結(jié)合等性能，起到增強(qiáng)效果。

浸潤(rùn)劑的組成

浸潤(rùn)劑是多種有機(jī)物和無(wú)機(jī)物混合而成的體系。從外觀看，可以是溶液、乳液、觸變型膠體或膏體。其主要組成為粘結(jié)成膜劑、潤(rùn)滑劑、抗靜電劑及偶聯(lián)劑。在某些浸潤(rùn)劑配方中還可能使用一些輔助組分，如潤(rùn)濕劑、調(diào)節(jié)劑、防腐劑、增塑劑、交聯(lián)劑、消泡劑、顏料等。

成膜劑對(duì)浸潤(rùn)劑的性能和作用有重要影響，是浸潤(rùn)劑中的關(guān)鍵組分，在浸潤(rùn)劑配方中用量最大，占2%-5%。偶聯(lián)劑，是通過(guò)其本身的兩種不同反應(yīng)性質(zhì)，把玻璃纖維與樹(shù)脂等高分子聚合物結(jié)合起來(lái)，起到橋梁作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)物和有機(jī)物之間良好的界面結(jié)合，在浸潤(rùn)劑組成中，偶聯(lián)劑用量為0.2%-2.0%，使用偶聯(lián)劑是增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑的特征之一。

成膜劑

成膜劑是玻璃纖維浸潤(rùn)劑的主要成分，亦稱(chēng)為粘結(jié)劑或集束劑，決定著玻璃纖維的紡織等后加工性能及增強(qiáng)復(fù)合材料制品的性能，尤其是增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑。成膜劑是實(shí)現(xiàn)單絲集束，保證原絲完整性的主要組分，決定了玻璃纖維原絲的硬挺性或柔軟性，以滿足不同品種玻璃纖維制品的工藝要求玻璃纖維浸潤(rùn)劑所用的各類(lèi)成膜劑，都是高分子聚合物乳液或水溶液。目前在增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料中常用的玻璃纖維浸潤(rùn)劑的成膜劑有以下三大類(lèi)。

1.聚酯類(lèi)成膜劑。聚酯樹(shù)脂成膜劑種類(lèi)很多，分為外乳化型、自乳化型聚酯乳液及水溶性聚酯，是二元醇或多元醇與飽和的及不飽和的二元酸在高溫條件下縮聚反應(yīng)制得的線型高分子聚合物。該類(lèi)成膜劑對(duì)玻璃纖維有優(yōu)良的浸潤(rùn)性、浸透性，另外分子結(jié)構(gòu)中含有不飽和雙鍵及酯鍵，能夠與不飽和樹(shù)脂基體在引發(fā)劑作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵或物理纏繞，因此，選擇聚酯成膜劑涂覆玻璃纖維時(shí)，還具有優(yōu)秀的界面強(qiáng)度。

乙烯基酯樹(shù)脂是由甲基丙烯酸與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)，并加入交聯(lián)劑苯乙烯而制得的一種熱固性樹(shù)脂。它具有環(huán)氧樹(shù)脂和不飽和聚酯樹(shù)脂的雙重特性，既結(jié)合了環(huán)氧樹(shù)脂優(yōu)異的力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)又具備不飽和聚酯樹(shù)脂良好的加工工藝性能，其價(jià)格也介于兩者之間。由于分子鏈兩端含有不飽和雙鍵，在受力狀態(tài)下，整個(gè)分子鏈可以伸長(zhǎng)，從而更好的吸收機(jī)械能及熱沖擊，因此具有很好的抗沖擊及耐開(kāi)裂的性能。乙烯基酯樹(shù)脂廣泛應(yīng)用于化工電子、石油輸送、環(huán)保、船舶、汽車(chē)等行業(yè)，是一種良好的聚酯類(lèi)成膜劑。

2.環(huán)氧類(lèi)成膜劑。環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈中含有醇基、醚基，兩端具有反應(yīng)活性。由于含有化學(xué)活潑性強(qiáng)、高極性環(huán)氧基團(tuán)以及極性強(qiáng)的醚基與羥基，對(duì)其它分子產(chǎn)生很強(qiáng)的吸力，所以環(huán)氧樹(shù)脂具有極好的粘結(jié)力。

環(huán)氧樹(shù)脂成膜劑一般分為兩種，一種是乳液型，是由環(huán)氧樹(shù)脂和適當(dāng)?shù)娜榛瘎?、溶劑等利用?zhuān)用機(jī)械乳化裝置進(jìn)行乳化而形成的粒徑分布均勻的乳液；另一種是水溶性環(huán)氧樹(shù)脂，是用環(huán)氧樹(shù)脂與酸類(lèi)、胺類(lèi)及多元醇等親水性反應(yīng)物進(jìn)行開(kāi)環(huán)接枝反應(yīng)而得到的溶于水的透明溶液。用環(huán)氧樹(shù)脂成膜劑制備的玻璃纖維集束性能好、柔軟性高、耐機(jī)械性好。一般情況下，分子量小的環(huán)氧樹(shù)脂成膜劑主要用在纏繞、拉擠工藝的浸潤(rùn)劑中，而分子量大的主要用于SMC、BMC噴射工藝的浸潤(rùn)劑。

3.聚氨酯類(lèi)成膜劑。分子鏈上含有重復(fù)的氨基甲酸酯的高分子聚合物稱(chēng)為聚氨基甲酸酯，簡(jiǎn)稱(chēng)聚氨酯。聚氨酯乳液含有極性很強(qiáng)的氨酯鍵，對(duì)玻璃纖維粘結(jié)集束性好。分子鏈段中軟段和硬段相結(jié)合，所以膜的彈性特別好，對(duì)玻璃纖維的保護(hù)作用優(yōu)于其他品種的成膜劑。

聚氨酯乳液通常是由聚醚、聚酯、二元醇與異氰酸酯，先制成預(yù)聚體，并用擴(kuò)鏈劑擴(kuò)鏈，再加水分散制得。通過(guò)采用不同結(jié)構(gòu)的二元醇、不同品種的異氰酸酯及擴(kuò)鏈劑，可以調(diào)節(jié)氨酯基在分子中的間隔大小及軟段硬段比例，合成性能差異很大的聚氨酯乳液。聚氨酯乳液以其優(yōu)異的性能，成為浸潤(rùn)劑成膜劑中發(fā)展最快的一種新型成膜劑。國(guó)外已形成大規(guī)模聚氨酯生產(chǎn)行業(yè)，品種繁多，性能優(yōu)異，在玻璃纖維浸潤(rùn)劑中應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。而國(guó)內(nèi)目前還無(wú)法大量生產(chǎn)浸潤(rùn)劑專(zhuān)用的高質(zhì)量的聚氨酯乳液，基本上依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴。

偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑一般由兩部分組成，一部分是親無(wú)機(jī)基團(tuán)，可與無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料發(fā)生反應(yīng)；另一部分是親有機(jī)基團(tuán)，可與合成樹(shù)脂基體發(fā)生反應(yīng)。因此，偶聯(lián)劑可起到橋梁作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)物玻璃纖維增強(qiáng)體和有機(jī)物樹(shù)脂基體之間良好的界面結(jié)合。

偶聯(lián)劑的種類(lèi)很多，如硅烷偶聯(lián)劑、鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、有機(jī)硅過(guò)氧化物偶聯(lián)劑等。最常用及種類(lèi)最多的是硅烷偶聯(lián)劑，其一般都含有3個(gè)水解硅氧烷基基團(tuán)-OCH₃或-OC₂H₅，在應(yīng)用時(shí)需要先水解為硅羥基，然后與無(wú)機(jī)物或金屬表面的-OH進(jìn)行脫水、結(jié)合；偶聯(lián)劑中的有機(jī)大分子鏈能與基體的大分子鏈相互擴(kuò)散和纏結(jié)，使填料與基體之間形成有效的界面結(jié)合。偶聯(lián)劑通過(guò)化學(xué)偶聯(lián)和物理纏結(jié)的方式，使高分子聚合物與無(wú)機(jī)物或金屬兩種性質(zhì)差別很大的材料實(shí)現(xiàn)界面粘接。

潤(rùn)滑劑和抗靜電劑

玻璃纖維潤(rùn)滑劑大體包括礦物油類(lèi)、氫化植物油類(lèi)、高級(jí)醇類(lèi)、聚乙二醇型非離子表面活性劑、多元醇型非離子表面活性劑以及陽(yáng)離子表面活性劑等，其中陽(yáng)離子類(lèi)使用較多，包括胺鹽類(lèi)、季銨鹽類(lèi)、咪挫琳等。浸潤(rùn)劑中抗靜電劑的主要作用是使玻璃纖維表面不易產(chǎn)生靜電，并降低摩擦系數(shù)。抗靜電劑的一類(lèi)是有機(jī)化合物，如脂肪族胺鹽、季胺鹽以及聚氯乙烯脂肪族胺鹽等；另一類(lèi)是無(wú)機(jī)化合物中的氯化鋰、氯化氨、氯化鎂等。