熱處理對玻璃纖維膜材基布性能的影響*

黃家潤 陳南梁

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

熱處理對玻璃纖維膜材基布性能的影響*

黃家潤1，2陳南梁1，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

為了滿足玻璃纖維織造工藝及高平整度要求，膜材基布的玻璃纖維一般采用淀粉型浸潤劑。在浸漬聚四氟乙烯乳液前，一般要經(jīng)過熱清洗去除玻璃纖維表面浸潤劑。在不同溫度及時(shí)間條件下對基布進(jìn)行熱處理，分別討論了熱處理對膜材基布浸潤劑殘留量、拉伸強(qiáng)度、布面顏色、彎曲硬挺度等方面的影響。綜合考慮性能影響及生產(chǎn)效率等因素，建議膜材基布熱處理溫度選擇380℃左右與聚四氟乙烯燒結(jié)溫度相同，處理時(shí)間5 min左右。

熱處理，玻璃纖維，膜材基布，強(qiáng)度

由于玻璃纖維的不耐折及耐磨性差，在拉絲過程中會(huì)在表面涂覆一定量的淀粉型或增強(qiáng)型浸潤劑，但為了提高玻璃纖維與樹脂的界面粘結(jié)性，在與樹脂結(jié)合前，必須盡可能多地去除玻璃纖維表面淀粉型浸潤劑，目前一般采用熱處理法。熱處理就是指在一定溫度及時(shí)間條件下，使玻璃纖維表面浸潤劑分解、碳化燃燒及揮發(fā)的過程。一般分為高溫?zé)崽幚?500～650℃)和中低溫?zé)崽幚?300～450℃)。玻璃纖維基布的熱處理一般溫度越高及處理時(shí)間越長，表面浸潤劑去除率就越高，布面顏色越白，但玻璃纖維的強(qiáng)度下降越大［1］。

隨著浸潤劑技術(shù)的發(fā)展，紡織增強(qiáng)型浸潤劑越來越多地用于玻璃纖維生產(chǎn)中，它不需要熱處理，仍然可以和樹脂結(jié)合良好。但是為了滿足玻璃纖維膜材基布的紡織工藝及高平整度要求，目前國內(nèi)外對這種超細(xì)玻璃纖維(4 μm)仍然采用淀粉型浸潤劑，這與電子級(jí)玻纖布相似［1］，因此，玻璃纖維膜材基布在涂覆樹脂前，必須進(jìn)行熱處理，去除表面浸潤劑，在工業(yè)上一般叫做燒毛處理。

針對膜材基布熱處理需要盡量多地去除表面浸潤劑，而強(qiáng)度保持率盡量高，本文研究了膜材基布在不同處理溫度及處理時(shí)間條件下，熱處理對膜材基布一些性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

無堿玻璃纖維膜材基布參數(shù)如表1所示，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供。

表1 玻璃纖維基布參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司;HY704-B型電焊條高溫烘干箱，吳江亞泰烘箱制造廠;FA2004A電子天平，上海精天電子儀器有限公司;WDW-20微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)，上海華龍有限公司;LLY-01型電子硬挺度儀，萊州電子儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

先將玻璃纖維膜材基布在(105±5)℃條件下預(yù)烘1h去除玻璃纖維中的水分，然后分別在300、350、400和450℃溫度下保溫烘焙5 min或在350和400℃溫度下分別烘焙5、15、30和60 min，測量膜材基布處理前后浸潤劑含量、布面顏色、經(jīng)向拉伸強(qiáng)度、經(jīng)向彎曲硬挺度等指標(biāo)的變化情況。

1.4 性能測試

膜材基布的浸潤劑殘留量的測定，參考GB/T 9914.2—2001，采用FA2004A電子天平對熱處理前后的質(zhì)量損失進(jìn)行測定。

膜材基布的拉伸性能測定參考GB/T 7689.5—2001，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測定，試樣規(guī)格250 mm×25 mm，夾持隔距為 100 mm，拉伸速度為50 mm/min(在夾持端用牛皮紙和膠水固定的方法，以減小夾持端損傷及滑移)。

膜材基布的布面顏色采用目測法測定，并用普通照相機(jī)拍下不同處理?xiàng)l件下的布面顏色。

膜材基布的彎曲硬挺度測定參考GB/T 7689.4—2001，采用電子硬挺度儀測定，試樣規(guī)格250 mm×25 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 對浸潤劑含量的影響

玻璃纖維表面浸潤劑是指一系列無機(jī)物與有機(jī)物混合而成的體系，其中主要包括成膜集束劑、偶聯(lián)劑、潤滑劑和抗靜電劑等，還有些輔助成分如潤濕劑、增塑劑、消泡劑等［2］。這些有機(jī)物質(zhì)在高溫條件下氧化分解，部分碳化燃燒，并在高溫下持續(xù)一段時(shí)間，碳化物會(huì)慢慢分解、揮發(fā)。

要把浸潤劑除盡比較困難，需要在較高溫度及較長時(shí)間的處理，如絕緣類電子玻纖布，先高溫處理，再在低溫下燜燒較長時(shí)間，則幾乎可以除盡浸潤劑，但保留強(qiáng)度較低［3］。膜材基布對保留強(qiáng)度要求較高(70%以上)，則一般選用中低溫處理，允許處理后浸潤劑殘留量在0.3%左右。

圖1可以看出在短時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的逐漸升高，基布浸潤劑殘留量逐漸降低。圖2可以看出隨著時(shí)間的延長，浸潤劑殘留量在逐漸降低。在一定時(shí)間下，溫度越高，浸潤劑分解、碳化的速率就越快，則浸潤劑殘留量逐漸降低;在一定溫度下，烘焙的時(shí)間越長，碳化的有機(jī)物會(huì)慢慢地?fù)]發(fā)、分解，則浸潤劑殘留量逐漸降低。

圖1 浸潤劑殘留量與處理溫度的關(guān)系

圖2 浸潤劑殘留量與處理時(shí)間的關(guān)系

2.2 對膜材基布拉伸強(qiáng)度的影響

一般涂層織物中，內(nèi)層的增強(qiáng)基布決定膜材的力學(xué)性能;外層的涂層材料決定膜材的物理特性［4］。膜材基布經(jīng)過熱處理后需要保持較高的強(qiáng)度(70%以上)，雖然涂覆樹脂后對其拉伸強(qiáng)度有一定彌補(bǔ)，但在后續(xù)的涂層過程中，膜材將經(jīng)歷多次高溫?zé)Y(jié)工藝，其強(qiáng)度仍將有一定損失。因此在熱處理過程中，盡量減少膜材基布的強(qiáng)度損失，選擇合理的處理溫度及時(shí)間。

如圖3所示，隨著溫度的升高，膜材基布的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，在400℃以前，膜材基布的拉伸強(qiáng)度可以保持在70%以上。如圖4所示，隨著時(shí)間的延長，基布的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。350℃時(shí)隨著時(shí)間的增長，基布仍可以保持較高的拉伸強(qiáng)度;400℃時(shí)隨著時(shí)間的增長，基布拉伸強(qiáng)度幾乎下降到原來的一半以下。膜材基布拉伸強(qiáng)度逐漸下降主要原因是:熱處理去除了玻璃纖維表面的浸潤劑，尤其是成膜集束劑，使集束的纖維變得松散，當(dāng)受到拉伸力時(shí)，增加了玻璃纖維的斷裂不同時(shí)性，而使基布的強(qiáng)度下降;根據(jù)格里菲斯微裂紋缺陷理論，玻璃纖維表面存在著數(shù)量不等、尺寸不同的微裂紋，分布在玻璃纖維的整個(gè)體積內(nèi)，當(dāng)其在熱應(yīng)力作用下，這些缺陷、微裂紋擴(kuò)散而使基布的強(qiáng)度下降，溫度越高，降低的趨勢越明顯;隨著溫度增加，400℃以后玻璃纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，尤其是纖維結(jié)晶受破壞而使基布的強(qiáng)度下降，隨著溫度升高，強(qiáng)度下降得越快，纖維還會(huì)發(fā)脆［5-6］。

圖3 處理溫度對膜材基布強(qiáng)度的影響

圖4 處理時(shí)間對膜材基布強(qiáng)度的影響

2.3 對膜材基布布面顏色的影響

玻璃纖維建筑膜材具有美觀、透明、藝術(shù)等特點(diǎn)，但膜材基布在經(jīng)過熱處理后表面會(huì)殘留部分碳化的有機(jī)物，而使布面顏色呈茶褐色，影響膜材的藝術(shù)美觀性，因此，需要選擇合適的工藝，在保證膜材基布強(qiáng)度的前提下，同時(shí)盡量使基布布面顏色呈白色。

如圖5所示，在不同溫度及時(shí)間下，布面的顏色變化比較清晰。從圖5(a)中看出，在相同處理時(shí)間下，隨著溫度升高，布面顏色越白;從圖5(b)和圖5(c)看出，在相同處理溫度下，隨著時(shí)間的延長，布面顏色越白。

圖5 處理溫度及時(shí)間對布面顏色的影響

由于玻璃纖維處理后殘留部分浸潤劑，玻璃纖維在涂覆聚四氟乙烯后一般成茶褐色，膜材在太陽光照射下，尤其在紫外線作用下，膜材會(huì)逐漸變白，因此，要求處理后基布布面顏色均勻。為了防止玻璃纖維基布在涂覆聚四氟乙烯高溫?zé)Y(jié)過程中出現(xiàn)布面顏色不勻問題，所以建議玻璃纖維熱清洗溫度與聚四氟乙烯燒結(jié)溫度相同，處理溫度在380℃左右。

2.4 對膜材基布彎曲硬挺度的影響

彎曲硬挺度是織物柔軟度的表征指標(biāo)，織物的柔軟度直接關(guān)系到建筑膜材的耐折及抗彎曲性能。膜材基布的優(yōu)勢在于超細(xì)玻璃纖維有較好柔軟性，可減小膜材在加工、運(yùn)輸、安裝過程中，由于彎曲、折疊等對膜材力學(xué)性能的影響。熱處理去除了表面浸潤劑，對基布的彎曲硬挺度有一定的影響，需要選擇合理的處理溫度與時(shí)間。

圖6 熱處理溫度對基布彎曲硬挺度的影響

圖7 在400℃時(shí)熱處理時(shí)間對基布彎曲硬挺度的影響

如圖6和圖7所示，隨著溫度的升高，織物的彎曲硬挺度先減小后增大;隨著時(shí)間的延長，織物的硬挺度也是先減小后增大。從圖中可看出，在400℃左右織物的彎曲硬挺度最小;烘焙時(shí)間對硬挺度的影響并不大。由于烘焙使玻璃纖維表面浸潤劑碳化發(fā)硬，而使彎曲硬挺度增大，隨著溫度升高，碳化的有機(jī)物逐漸揮發(fā)，而使彎曲硬挺度減小，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，玻璃纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，硬挺度又增大。

3 結(jié)論

(1)膜材基布隨著熱處理溫度的升高和時(shí)間的延長，其浸潤劑殘留量降低，由于有機(jī)物在高溫下分解、碳化及揮發(fā)，其布面顏色越白。

(2)隨著溫度的升高和時(shí)間的延長，膜材基布的強(qiáng)度逐漸降低，在400℃以前主要由于纖維的松散及微裂紋的擴(kuò)散造成，而在400℃以后主要由于纖維的結(jié)構(gòu)的變化，尤其是結(jié)晶破壞影響而使強(qiáng)度降低。

(3)隨著溫度的升高和時(shí)間的延長，膜材基布的彎曲硬挺度先減小后增大，而烘焙時(shí)間對硬挺度的影響較小。

(4)綜合考慮熱處理對膜材浸潤劑殘留量、拉伸強(qiáng)度、布面顏色、彎曲硬挺度等影響，以及提高生產(chǎn)效率等因素，建議處理溫度400℃以內(nèi)，可以與膜材的燒結(jié)溫度相同，380℃左右，處理時(shí)間5 min左右，這樣處理的膜材基布可達(dá)到較好的效果。

［1］曾天卷.淺談玻璃纖維表面處理用熱源及加熱方式［J］.玻璃纖維，2006(5):13-18.

［2］王秀梅.淺談玻璃纖維浸潤劑［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，1987(2):40-46.

［3］危良才.電子級(jí)玻璃纖維布表面處理技術(shù)［J］.印制電路信息，2004(12):21-23.

［4］商欣萍，儲(chǔ)才元.建筑用膜結(jié)構(gòu)材料［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2001，19(1):12-16.

［5］李道平.熱處理對Li2O-Al2O3-SiO2-B2O3系統(tǒng)玻璃纖維抗拉強(qiáng)度的影響［J］.玻璃與搪瓷，1989，17(6):7-11.

［6］孫義泰.玻璃纖維強(qiáng)度影響因素［J］.玻璃纖維，1992(6):13-15.

Effect of heat treatment on the performance of fiberglass membrane base fabric

Huang Jiarun1，2，Chen Nanliang1，2
(1.College of Textile，Donghua University;2.Engineering Research Center of Textile Technical Education Ministry)

Generally，fiberglass used as base fabric for membrane material is infiltrated in starch agent before its weaving process to achieve relatively high flatness.Before dipping PTFE emulsion，the starch infiltrating agent on the surface of fiberglass needs to be removed through heat cleaning.In this paper，heat treatment of the fiberglass base fabric was conducted under different time and temperature conditions.Then effects on size residue，tensile strength，the surface color as well as flexural stiffness of the fiberglass base fabric were discussed after the treatment.In terms of both the membrane material＇s properties and production efficiency，the heat-treating temperature of the fiberglass base fabric was recommended to be set at 380℃，which was the same as sintering temperature of PTFE，with the treating time of 5 minutes.

heat treatment，glass fiber，the membrane base fabric，strength

TQ327.1

A

1004－7093(2012)04－0029－04

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAE10B02)

2011－07－06

黃家潤，男，1986年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)椴ＡЮw維膜材料開發(fā)及性能研究。