玻璃纤维与树脂的润湿性研究

论文摘要

环氧树脂由于具有优良的工艺性能、机械性能和物理性能、价格低廉,作为涂料、胶粘剂、复合材料树脂基体、电子封装材料等广泛应用于机械、电子、电器、航空、航天、化工、交通运输、建筑等领域。作为一种液态体系的环氧树脂具有在固化反应过程中收缩率小,其固化物的粘结性、耐热性、耐化学药品性以及机械性能和电气性能优良的特点。聚酯树脂具有良好的加工特性,可以在室温、常压下固化成型,不释放出任何副产物,粘度比较适宜,工艺性能优良,固化后树脂综合性能好,品种多、适应广泛,价格较低。而玻璃纤维是电子信息、航空、航天等行业的关键基础材料,在国民经济和国防军工的诸多领域有重要应用,绝缘性、耐热性好,机械强度高,故配合树脂赋予形状以后可以成为优良的结构用材,通常作为复合材料中的增强材料,电绝缘材料和绝热保温材料,电路基板等。研究二者润湿性,无论是对于复合材料新型制备工艺,还是具有较好发展前景的热塑性树脂基复合材料工艺,以及对提升我国玻璃纤维产业技术水平和持续发展能力,推动我国高端民用电子产业和国防工业发展都有重要的现实意义和历史意义。通过吊片法测定不同温度条件下的树脂表面张力,分析了温度与表面张力关系,以及表面张力因液体温度升高而减小的理论解释。研究表明:聚酯树脂表面张力大于环氧树脂表面张力。树脂传递模塑(ResinTransfer Molding,RTM)工艺是广泛应用在航天航空、汽车、机械、电子及建筑领域的一种先进复合材料制备方法。RTM工艺要求树脂有好的工艺性能,其中树脂的表面张力、粘度直接影响树脂的浸润性和最终产品的质量。因此,本文中主要讨论树脂的粘度、表面张力对浸润性能的影响,以满足树脂对纤维的充分浸润及RTM工艺中的流动充模要求。树脂浸润玻璃纤维时,接触角随着树脂粘度的增大而增大;随表面张力的增大而减小,两者表现为线性关系;四种玻璃纤维与聚酯树脂的润湿性好一些,在环氧树脂中属基本不润湿。实际生产中发现,对于同一种树脂,ER、ECR、ECT、TM四种玻璃纤维与其结合性能有差异,研究玻璃纤维的不同化学成分对玻纤表面活性以及它与树脂的润湿性和结合能力的影响对生产将具有重大指导意义。所以本论文从热力学和动力学两个方面讨论了四种纤维的表面浸润性。热力学上,通过测量接触角,得到四种纤维的表面能、极性、色散分量。动力学上,测试了常温下四种纤维的接触角随时间的变化,依据经验公式和阿累尼乌斯方程计算出浸润速率和浸润活化能。综合以上热力学参数和动力学参数对比分析四种纤维的浸润性。研究结果表明:表面能ECT>ECR>TM>ER,即ECT为实现良好的的浸润提供了最有利的热力学条件;浸润活化能TM<ER<ECT<ECR,即TM为实现良好的浸润提供了最有利的动力学条件。以上研究对于复合材料成型工艺的合理选择具有重要意义。玻璃纤维在SEM图像中呈非规整的圆柱状,表面分布有大量细小颗粒和褶皱,且表面经常都牢固地吸附着一层水膜,影响了玻璃纤维与树脂之间的粘结。因此有必要对玻璃纤维表面进行涂覆处理,以增强玻璃纤维和树脂的润湿性,并保护纤维表面不受到侵蚀。涂覆的物质称表面处理剂,包括偶联剂、润滑剂、成膜剂等物质。近年来玻璃纤维的表面处理在复合材料生产和研究领域中越来越重要,国内外都在不断研究并大力推广应用。所以,本文采用动态威廉法检测了四种玻璃纤维分别与三种偶联剂、一种润滑剂、一种成膜剂的润湿性以及经偶联剂、润滑剂、成膜剂处理后的玻璃纤维与树脂的润湿性。研究发现:四种纤维与偶联剂的润湿性最好,接触角都在55°以下;与润滑剂润湿性最差,在90°以上;经偶联剂处理后的玻璃纤维与树脂的润湿性要好于经润滑剂、成膜剂处理后的润湿性,其中氨基硅烷偶联剂处理效果最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 润湿现象和润湿过程的表征
• 1.2.1 润湿现象
• 1.2.2 接触角
• 1.3 表面张力
• 1.3.1 表面张力成因
• 1.3.2 表面张力的测量
• 1.4 纤维接触角测量方法
• 1.4.1 动态威廉法
• 1.4.2 静滴法
• 1.4.3 插入法
• 1.4.4 测角法
• 1.4.5 测高法
• 1.5 研究思路
• 1.5.1 表面张力实验思路
• 1.5.2 玻璃纤维与液体材料的润湿性实验思路
• 1.6 研究内容
• 1.7 创新点
• 第二章 实验
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 玻璃纤维
• 2.1.2 环氧树脂
• 2.1.3 聚酯树脂
• 2.1.4 偶联剂
• 2.1.5 润滑剂
• 2.1.6 成膜剂
• 2.2 表面张力实验
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 实验操作
• 2.3 润湿实验
• 2.3.1 单根纤维接触角测定装置及原理
• 2.3.2 实验操作
• 2.4 实验系统精度检验
• 2.4.1 表面张力测量
• 2.4.2 动态接触角测量
• 第三章 树脂表面张力研究与分析
• 3.1 树脂表面张力
• 3.2 温度对表面张力的影响
• 3.2.1 温度与表面张力关系
• 3.2.2 表面张力因液体温度升高而减小的理论解释
• 第四章 玻璃纤维与树脂的润湿性研究
• 4.1 树脂浸润性的测试方法研究
• 4.1.1 五种树脂与ER 纤维的接触角变化
• 4.1.2 五种树脂与ECR 纤维的接触角变化
• 4.1.3 五种树脂与ECT 纤维的接触角变化
• 4.1.4 五种树脂与TM 纤维的接触角变化
• 4.1.5 树脂浸润性能影响因素分析
• 4.2 纤维表面浸润性能的测试方法研究
• 4.2.1 纤维表面能的测试方法
• 4.2.2 动态浸润速率的测定和浸润活化能的计算
• 4.3 小结
• 第五章 玻璃纤维与偶联剂、润滑剂、成膜剂的润湿性研究
• 5.1 玻璃纤维与偶联剂的润湿现象分析
• 5.1.1 ER 纤维与偶联剂的接触角变化
• 5.1.2 ECR 纤维与偶联剂的接触角变化
• 5.1.3 ECT 纤维与偶联剂的接触角变化
• 5.1.4 TM 纤维与偶联剂的接触角变化
• 5.2 偶联剂浸润影响因素分析
• 5.3 玻璃纤维与润滑剂的润湿现象分析
• 5.4 玻璃纤维与成膜剂的润湿现象分析
• 5.5 小结
• 第六章 玻璃纤维表面处理对浸润性能的影响
• 6.1 偶联剂处理的四种丝与树脂的润湿现象分析
• 6.1.1 偶联剂处理的ER 纤维与树脂的接触角变化
• 6.1.2 偶联剂处理的ECR 纤维与树脂的接触角变化
• 6.1.3 偶联剂处理的ECT 纤维与树脂的接触角变化
• 6.1.4 偶联剂处理的TM 纤维与树脂的接触角变化
• 6.1.5 分析与讨论
• 6.2 润滑剂处理的玻璃纤维与树脂的润湿现象分析
• 6.3 成膜剂处理的玻璃纤维与树脂的润湿现象分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果