低表面張力玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分析

葛凱

摘 要：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種低成本、低消耗的一種新型材料。本文主要講述的是如何合理結(jié)合纖維，運(yùn)用玻璃纖維較好的熱穩(wěn)定性能以及等各種優(yōu)良的性能制造玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并對(duì)此種復(fù)合材料進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞：低表面張力；玻璃纖維；復(fù)合材料；抗腐蝕性

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.111

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)介

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種新型的復(fù)合材料，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如質(zhì)量較輕、抗腐蝕性較強(qiáng)、保溫效果好等。較為常見的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于其各個(gè)方面具有的優(yōu)勢(shì)，能充分滿足極為惡劣條件下的工作需求，還能充分滿足現(xiàn)代建筑施工的要求。因此，這種復(fù)合材料被運(yùn)用到越來越多的領(lǐng)域。其主要產(chǎn)品以玻璃鋼制品和鐵氟龍制品為主，占領(lǐng)了70%～80%的材料市場(chǎng)。作為新興產(chǎn)業(yè)的代表者，在這個(gè)提倡節(jié)能環(huán)保的社會(huì)中，玻璃鋼復(fù)合材料有著非常大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗粌H有著節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，比較符合現(xiàn)如今市場(chǎng)的需求，且我國一直在發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及災(zāi)區(qū)重建等各項(xiàng)工程，這都會(huì)帶動(dòng)該產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

2 主要合成材料

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要合成材料分為玻璃纖維和合成樹脂兩種。玻璃纖維在其中起著極其重要的作用，合成樹脂起著輔助作用，使其能有效融合。在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，玻璃纖維與樹脂兩種物質(zhì)既是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，也是不可分割的一個(gè)整體。只有玻璃纖維是無法合成完整的工程結(jié)構(gòu)材料的。只有它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)完整的個(gè)體，才能最大限度地發(fā)揮各自的作用。因此，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是集玻璃纖維與樹脂兩種材料所有優(yōu)點(diǎn)的一種新型復(fù)合材料，它不僅能在普遍條件下提升產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，還能在高溫條件下使用，前景美好。

3 背景、現(xiàn)狀及發(fā)展前景

3.1 背景和發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀

經(jīng)過盡20年的發(fā)展，我國的玻璃纖維行業(yè)終于走上了正軌，也使我國成為了玻璃纖維的生產(chǎn)強(qiáng)國，在世界上也占據(jù)著較為重要的位置。但我們都知道，要想開拓一個(gè)新行業(yè)，是一件非常困難的事情。在發(fā)展初期，常常會(huì)走入誤區(qū)，導(dǎo)致產(chǎn)品深加工發(fā)展嚴(yán)重停滯，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力大幅度下滑。2009年底，我國的玻璃纖維也剛剛走過寒冬，盼望著春天的到來，但現(xiàn)實(shí)總是不盡如人意，我們連連遭受了來自歐盟、印度等各國的反傾銷訴訟，這使我們的玻璃纖維行業(yè)的前景更加惡化。我國多年以來的玻璃纖維制品一直以無捻粗紗等初級(jí)產(chǎn)品作為主要方向，明顯的缺點(diǎn)是產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力不足。對(duì)此，我們進(jìn)行了必要的改革，進(jìn)行了全面的更新，重點(diǎn)發(fā)展玻璃纖維制品加工行業(yè)，擴(kuò)大產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用的區(qū)域，更加重視建設(shè)高品質(zhì)的制品深加工體系。經(jīng)過我們的不斷努力，獲得了令人高興的成績(jī)，積極地融入節(jié)能環(huán)保、新能源的新領(lǐng)域，不斷地向高層次的方向發(fā)展，以便能更好地滿足日益變化的市場(chǎng)需求。

冷卻塔是我國最為普遍，也是發(fā)展最好的應(yīng)用玻璃鋼材料的設(shè)備，甚至已經(jīng)接近國際水平。此產(chǎn)品應(yīng)用到了很多領(lǐng)域，比如石油、化工、供水、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)以及游樂器材等。與許多國家相比，我國雖然仍處于玻璃鋼工業(yè)初級(jí)階段，但應(yīng)用市場(chǎng)的開發(fā)空間較大。

3.2 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)核材料的發(fā)展前景

3.2.1 美國

美國的玻璃鋼產(chǎn)量占全世界的40%，最大的應(yīng)用方向?yàn)殛懮线\(yùn)輸，大約是總銷量的1/3，主要的用途就是用在汽車的車身板件以及發(fā)動(dòng)機(jī)室的零部件等方面。建筑方面運(yùn)用復(fù)合材料也占據(jù)了一定的地位，建筑行業(yè)的飛速發(fā)展使玻璃纖維復(fù)合材料在淋浴室、住宅其他設(shè)備方面都有著較為廣泛的應(yīng)用。此外，還應(yīng)用在船舶領(lǐng)域，比如應(yīng)用在玻璃鋼船、噴氣艇等方面。

隨著對(duì)復(fù)合材料的不斷研究以及技術(shù)的不斷更新，人類對(duì)航空、通信等方面的研究越來越多，對(duì)復(fù)合材料的需求也在不斷增加。由此可見，復(fù)合材料在航天航空方面會(huì)越來越受到重視。

3.2.2 德國

德國復(fù)合材料之所以能發(fā)展起來的大部分原因是其化學(xué)產(chǎn)業(yè)、汽車行業(yè)等的快速發(fā)展。我們都知道德國是一個(gè)生產(chǎn)名牌汽車的大國，比如我們所熟知的奔馳、大眾等知名品牌，因此，生產(chǎn)這些汽車所需要的前臉、車門、頂棚等許多部位都會(huì)采用復(fù)合材料，因此，復(fù)合材料在汽車行業(yè)的發(fā)展前景是非?？捎^的。

4 發(fā)展過程中存在的問題

在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用的過程中，也存在著許多問題，尤其是在疏水性這一方面。纖維有一個(gè)明顯的特點(diǎn)是在表面吸收水分之后會(huì)加速微裂紋的擴(kuò)展，機(jī)械性變差，進(jìn)而導(dǎo)致纖維的耐磨性、耐折性變差。因此，我們對(duì)纖維的表面進(jìn)行了疏水處理，使其表面阻力變小，這可有效提升城市輸水系統(tǒng)的送水效率，同時(shí)做到節(jié)能環(huán)保。此外，我們對(duì)水上的運(yùn)動(dòng)器械也進(jìn)行了合理的疏水處理，使其的運(yùn)動(dòng)阻力變小，有效提升了其各方面的運(yùn)動(dòng)效果，使水上運(yùn)動(dòng)的發(fā)展前景變更加樂觀。

5 改變性能的技術(shù)

5.1 添加氟化碳粒子

據(jù)研究表明，氟化碳粒子有著非常高的分散性和粉末流動(dòng)性，且對(duì)水的接觸角為140°。對(duì)于這種粒子，我們可以用于復(fù)合材料的疏水、疏油等處理，其是一種固體粉末，即使在非常惡劣的條件下也能表現(xiàn)出非常優(yōu)良的性能。但是這種物質(zhì)也有一定的缺點(diǎn)，即很難在其他材料上以一種穩(wěn)定的形式分散，所以，可能不會(huì)完全發(fā)揮疏水性能。

5.2 低溫等離子體處理

低溫等離子體技術(shù)在近年來發(fā)展非常迅速，其操作簡(jiǎn)單明了，可以在常溫條件下產(chǎn)生高速電子，氣體能發(fā)生許多不同的化學(xué)反應(yīng)。因此，其常用于復(fù)合材料的疏水性聚合物加工。這種方法是不會(huì)對(duì)材料本身的性能造成任何影響的，因此，許多科研人員都致力于研究低溫等離子體技術(shù)。

在氟系氣體在低溫等離子表面的疏水處理方面和離子注入表面疏水處理方面，我們常常運(yùn)用四氟化碳作為非聚合氣體，經(jīng)過一系列的處理可產(chǎn)生大量的氟原子。放電后，各方面的疏水能力都得到了較為有效的優(yōu)化，1 min后就能實(shí)現(xiàn)接觸角為110°，且極其穩(wěn)定。根據(jù)科學(xué)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，這種情況發(fā)生原因是其表面上生成了多種疏水的離子基。但它也存在著一定的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種反應(yīng)屬于氣相反應(yīng)，這種反應(yīng)的主要特點(diǎn)是反應(yīng)較為復(fù)雜、反應(yīng)不方便控制等，還有待我們進(jìn)行更加深入的研究和探討。

在研究輝光放電等離子處理時(shí)，使四氟乙烯在其表面沉淀，并進(jìn)行有效的連續(xù)處理，間歇進(jìn)行等離子處理。與連續(xù)處理的結(jié)果相比，當(dāng)DC大于10%時(shí)，水的接觸角也不會(huì)大于120°。然而，當(dāng)DC值較低時(shí)，就能得到更好的疏水性能，接觸角甚至最大能達(dá)到165°。XPS分析顯示，當(dāng)DC值變得較低時(shí)，碳氟化率會(huì)變得更高，導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是二氟化碳的出現(xiàn)。圖1為當(dāng)DC值達(dá)到5%時(shí)超疏水膜材料的XPS譜線圖。從圖1中我們可以看出，二氟化碳的強(qiáng)度比其他元素更強(qiáng)。圖2中的IR圖譜更加可以證明，當(dāng)DC值變得較小時(shí)，碳碳雙鍵明顯有所減少，等離子處理中分子發(fā)生了變化，進(jìn)而導(dǎo)致譜帶發(fā)生了較大的改變。

6 張力玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原理

材料表面的疏水性能主要的影響因素在于材料的臨界表面張力、水的接觸角。表面張力越小或?qū)λ慕佑|角越大，材料的疏水性能會(huì)越來越強(qiáng)。同時(shí)，其他具有腐蝕性的液體也較難對(duì)此材料有所影響。因此，臨界表面張力和水的接觸角都會(huì)對(duì)材料的各項(xiàng)性能造成較大的影響，從而延長(zhǎng)材料的使用時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)疏水理想化狀態(tài)的原理之一就是使復(fù)核材料形成具有低表面張力、有一定厚度的物質(zhì)，從而使復(fù)合材料具有較高的疏水能力。為了使復(fù)合材料表面的疏水性能變得更強(qiáng)，必須增強(qiáng)其表面張力或增大其對(duì)水的接觸角，在不改變其本質(zhì)的條件下，在表面材料中加入含氟基因，從而達(dá)到提升液體浸潤(rùn)性的目的。同時(shí)，可提升材料的穩(wěn)定性，使其具有較高的疏水性。

碳氟表面的活性劑水溶液的表面張力最低可至15 mN/m。當(dāng)它在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.005 3～0.13時(shí)，就能使水中的表面張力降至最低。然而，一般碳?xì)浔砻娴膹埩σ脒_(dá)到30 mN/m，活性劑在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就需要控制在0.13左右。如圖3和圖4所示，由于一系列的化學(xué)反應(yīng)，使固體表面的張力有所下降，因此，能更好地提升材料的疏水能力。

7 抗腐蝕性能方面的評(píng)價(jià)方法

如何正確使用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是人們一直所關(guān)注的問題，延長(zhǎng)其使用的壽命也是人們所期望的。因此，依據(jù)測(cè)出玻璃纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性，然后進(jìn)行較為明確的評(píng)價(jià)是極其重要的。有關(guān)這種測(cè)驗(yàn)的方法，現(xiàn)在有許多種，我們能運(yùn)用這些方法測(cè)出玻璃纖維復(fù)合材料抗腐蝕性的具體數(shù)據(jù)。但因評(píng)價(jià)方法不具有統(tǒng)一性，不同的使用者會(huì)給出各種各樣的評(píng)價(jià)，有時(shí)甚至相差十萬八千里，因此，會(huì)導(dǎo)致在應(yīng)用上出現(xiàn)一定的困難。我們可以依據(jù)試樣及介質(zhì)的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行直接評(píng)價(jià)，這種試驗(yàn)評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

8 結(jié)束語

隨著如今社會(huì)各個(gè)行業(yè)的逐漸發(fā)展，我國的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工業(yè)也獲得了一定的發(fā)展，在產(chǎn)品的種類、產(chǎn)量以及技術(shù)水平等各個(gè)方面都有了巨大的提升，在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著極為重要的作用。近年來，我國從其他各個(gè)國家先后引入了較多的先進(jìn)設(shè)備，裝備水平大大提升了。筆者相信，我國以后在復(fù)合材料這一方面的發(fā)展前景將會(huì)變得越來越好，也將帶動(dòng)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的發(fā)展。

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〔編輯：張思楠〕