無(wú)機(jī)復(fù)合材料用玻璃纖維表面改性研究現(xiàn)狀

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0 引言

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，種類繁多，具有絕緣性、耐熱性、抗腐蝕性以及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)加工性佳、價(jià)格便宜，較之其它種類纖維而言，玻璃纖維的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，發(fā)展速度更快，成為現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)必不可少的基礎(chǔ)材料之一。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用廣泛的一類復(fù)合材料，已成為復(fù)合材料工業(yè)的主體。復(fù)合材料的性能不僅取決于增強(qiáng)纖維與基體的性能，而且在很大程度上取決于界面粘結(jié)的強(qiáng)弱[1]。玻璃纖維增強(qiáng)水泥、石膏等無(wú)機(jī)復(fù)合材料的抗彎、抗拉強(qiáng)度以及抗沖擊強(qiáng)度獲得明顯改善，但是由于纖維表面光滑且附著有表面浸潤(rùn)劑，與無(wú)機(jī)基體的界面結(jié)合問(wèn)題需通過(guò)表面處理來(lái)解決。此外，玻璃纖維作為載體，在其表面構(gòu)筑納米顆粒形成具有納米-微米復(fù)合結(jié)構(gòu)的功能材料，在光催化、電子工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用也在迅速發(fā)展。本文闡述了無(wú)機(jī)復(fù)合材料體系玻璃纖維表面改性的研究情況，討論了目前存在的主要問(wèn)題及發(fā)展方向。

1 酸、堿浸蝕結(jié)合熱處理

玻璃纖維增強(qiáng)水泥、石膏等形成復(fù)合材料，不僅可以提高材料的抗彎、抗拉強(qiáng)度，還可以提高其抗沖擊強(qiáng)度[2]。玻璃纖維表面光滑且附著有表面浸潤(rùn)劑，與石膏基體的界面結(jié)合不理想，對(duì)玻璃纖維進(jìn)行表面處理能夠解決這個(gè)問(wèn)題。玻璃纖維與石膏基體主要靠基體固化收縮力、物理吸附、電荷引力及擴(kuò)散的作用而結(jié)合，酸、堿浸蝕結(jié)合熱處理的目的是去掉玻璃纖維表面的浸潤(rùn)劑，使纖維表面粗糙，表面積增加，改善浸潤(rùn)性，使纖維與石膏基體的接觸面積更多、緊密，物理吸附力就越大。改善玻璃纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度可以顯著提高復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。文獻(xiàn)[3]中將玻璃纖維經(jīng)350℃熱處理后，在1mol/L鹽酸中浸泡30min，處理后的玻璃纖維和石膏界面接觸更緊密，使玻璃纖維/石膏復(fù)合材料抗折強(qiáng)度提高20%，抗壓強(qiáng)度略有增加。展琳琳等[4]在450℃高溫下處理玻璃纖維1h，然后用肥皂水超聲清洗，再將其浸泡在0.5mol/L的H2SO4溶液中30min，經(jīng)處理后的玻璃纖維增強(qiáng)石膏復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度提高18.4%，抗壓強(qiáng)度可以提高12.7%。酸、堿的濃度、種類、處理溫度和處理時(shí)間是獲得良好處理效果的主要因素，若控制不當(dāng)會(huì)降低玻纖的自身強(qiáng)度。Tomao等[5]研究發(fā)現(xiàn)將玻璃纖維置于20%的HCl中于100℃下處理6h，可以在提高纖維表面羥基含量和纖維自身強(qiáng)度的下降之間得到最好的處理效果。

2 不溶性結(jié)晶沉淀層處理

不溶性結(jié)晶沉淀層表面處理玻璃纖維是利用玻璃纖維中堿離子的交換性進(jìn)行濕法處理，在玻璃纖維表面生成不溶性結(jié)晶薄膜。如可以用亞硫酸鈣處理增強(qiáng)石膏用纖維，將含堿玻纖浸泡在鹽酸酸性氯化鈣溶液中進(jìn)行鈉和鈣的交換，然后加入亞硫酸鈉形成沉淀，在玻纖表面生成數(shù)微米大小的亞硫酸鈣致密結(jié)晶薄膜。這種經(jīng)過(guò)亞硫酸鈣表面處理的玻璃纖維與石膏的粘結(jié)性好，與未經(jīng)處理的玻纖比較，其增強(qiáng)效果可以提高50倍，而且在石膏砂漿中的分散性很好[3]。

3 玻璃纖維表面納米化處理

玻璃纖維獨(dú)特的物理化學(xué)性能使其成為一種優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境材料。以玻璃纖維作為載體，采用溶膠-凝膠法以及水熱處理等各種技術(shù)，在其表面復(fù)合WO3、TiO2、V2O3或Mo2O3等納米顆粒形成納米/微米功能材料，可用于垃圾焚燒爐和各種燃燒爐的廢氣中光催化除去氮氧化物，以及水、土壤等環(huán)境中的各種有害污染物的光催化降解[6]。張嵐等[7]采用溶膠-凝膠法結(jié)合水熱法來(lái)制備玻璃纖維基負(fù)載TiO2的微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)，此復(fù)合材料作為光催化劑表現(xiàn)出更加優(yōu)良的光催化性能，同時(shí)能夠有效地解決催化劑的固定、分離等回收難的問(wèn)題。玻璃纖維基體負(fù)載納米顆粒作為光催化劑應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究較多，但表面納米化后在復(fù)合材料體系中的研究較少見。張玲等[8]利用靜電相互作用在玻璃纖維（GF）表面分別復(fù)合納米二氧化硅（SiO2）和多壁碳納米管（MWNTs），制備了GF-SiO2、GFMWNTs復(fù)合增強(qiáng)體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合增強(qiáng)體能加快尼龍6的結(jié)晶速度，并使材料的玻璃化溫度、動(dòng)態(tài)模量、拉伸強(qiáng)度及結(jié)晶溫度等明顯提高，Ma等[9]研究表明表面納米化可以同時(shí)改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能。汪明球等[10]在以鈦酸丁酯為原料利用膠溶-回流法在玻璃微珠表面制備了納米TiO2顆粒，形成納米TiO2/玻璃微珠復(fù)合顆粒。研究結(jié)果表明經(jīng)表面修飾后玻璃微珠表面的粗糙度顯著增加，比表面積較包覆前增大了45倍以上。將經(jīng)表面修飾的納米TiO2/玻璃微珠復(fù)合粉體應(yīng)用于以有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂為基體的耐磨涂層中，復(fù)合耐磨涂層的磨損失量?jī)H為包覆前的29%，并利用分形理論探索了復(fù)合材料的分形特征及其與耐磨性的關(guān)系。該研究方法和結(jié)果對(duì)于玻璃纖維的表面改性有一定的參考作用，有必要進(jìn)一步深入研究。

4 玻璃纖維表面的金屬化處理

玻璃纖維表面的金屬化處理使之具有導(dǎo)電功能，可以改善其性能，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。在日本、美國(guó)等國(guó)家鍍金屬玻璃纖維的應(yīng)用已十分廣泛。日本研制的EMITEC纖維（鍍金屬高導(dǎo)電玻璃纖維）已廣泛應(yīng)用于塑料中來(lái)屏蔽電磁波，效果良好、性能穩(wěn)定，同時(shí)，金屬層兼具耐蝕、耐磨等特點(diǎn)[11]。日本岐阜縣紙業(yè)試驗(yàn)廠開發(fā)出被覆氧化錫的導(dǎo)電玻璃纖維，這種纖維可以用作消除靜電的填料[12]。國(guó)內(nèi)很多研究者采用化學(xué)鍍的方法在玻璃纖維表面形成Cu、Ag、Ni-P等二元、三元合金以及多元合金涂層，鍍合金的玻璃纖維除具有玻璃纖維的優(yōu)良性質(zhì)外，還具有導(dǎo)電性好、密度低、易于和樹脂結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的導(dǎo)電填料，具有廣泛的用途。陳步明[13]等采用化學(xué)鍍工藝得到導(dǎo)電性好、結(jié)合力強(qiáng)的Ag覆玻璃纖維；Jiang等[14]在石英光學(xué)纖維表面沉積了Ni-P-B合金鍍層；黃英等[15，16]在玻璃纖維表面化學(xué)沉積了Ni-Fe-P、Ni-Co-P、Ni-Co-Fe-P、Ni-Fe-W-P等合金鍍層；秦秀蘭等[17]對(duì)玻璃纖維表面化學(xué)鍍Ni-Co-Fe-La-P合金工藝進(jìn)行了研究，這些研究使玻璃纖維表面金屬化的工藝和表面性能不斷提高，同時(shí)賦予了相應(yīng)復(fù)合材料更多的功能，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

5 結(jié)束語(yǔ)

玻璃纖維表面處理的研究大多是為了獲得性能優(yōu)良的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，需要針對(duì)不同的基體材料選擇合適的處理方法。酸、堿浸蝕結(jié)合熱處理能夠獲得良好處理效果，但酸、堿的濃度、種類、處理溫度和處理時(shí)間若控制不當(dāng)會(huì)降低玻纖的自身強(qiáng)度，表面納米化的優(yōu)點(diǎn)是可以顯著提高纖維表面的粗糙度，并借助納米顆粒的特性增加表面反應(yīng)活性，這些方法將是今后研究的新方向。同時(shí)，表面復(fù)合納米顆粒，以及表面金屬化處理等研究也為賦予玻璃纖維新功能、進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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