玄武岩连续纤维浸润剂研制及其对纤维性能的影响

论文摘要

玄武岩纤维是一种新型的无机纤维,具有高强度、耐高温、耐腐蚀等一系列的优点,但是无机材料的特性也使其与传统的有机纤维相比具有脆性大,生产和使用过程中易于损伤的不足。本研究针对玄武岩纤维结构和性能特点,提出设计和制备不同的浸润剂涂层,通过涂层改性技术的实施达到改善玄武岩纤维集束性、耐磨性以及对纤维起到柔化作用,进而提高其力学性能,改善复合材料界面性能的目的。为我国玄武岩纤维制备技术水平的提高提供实验依据,为玄武岩纤维复合材料的推广应用提供技术支持。由此可见,本课题的研究对于玄武岩纤维这种新材料的开发和推广应用具有重要意义。本论文主要采用环氧乳液、聚氨酯乳液和聚酯乳液为成膜剂,并加上一些助剂,配置成浸润剂。通过对浸润剂本身的表面能、粒度和稳定性等测试,优化浸润剂配方,评价每种浸润剂配方的性能。经过研究表明:这四种通用浸润都十分稳定,经离心沉淀后,不会发生破乳现象。同时浸润剂的表面能都小于玄武岩纤维的表面能。表面张力越小,溶液在纤维表面铺展系数越大,导致固-液面得接触角越小,浸润剂在纤维的表面铺展的越好,这样浸润剂在纤维表面形成的膜就越致密,这就能够提高纤维的表面性能、力学性能和复合材料性能。在此基础上,向浸润剂有机乳液中添加改性的无机纳米粒子,但适量加入改性纳米SiO2粒子对浸润剂的粒度分布、表面张力等影响不大,但可以看出改性的纳米粒子在乳液分散的很均匀。经过对玄武岩纤维涂覆通用浸润剂,测试纤维力学性能和复合材料性能。如断裂强力,复丝拉伸性能以及复合材料层间剪切强度等性能。经研究表明:环氧主成膜剂,存在活泼的环氧基团和极性较强的羟基,在成膜后膜粘度较高,丝与丝之间的抱合紧密,使纤维具有良好的集束性,因此纤维断裂强度较高。而聚氨酯成膜剂,单纤维间主要是靠分子间范德华力集束,集束强度弱,且其表面的基团较多,极性大,集束性较弱,能与树脂的相容性也很好,相同时间内吸附的树脂的质量都很大,因此此类浸润剂处理过的纤维与树脂复合之后的层间剪切强度很大。但是聚氨酯型涂层在碱环境中容易水解,所以该涂层的耐碱性能差。聚酯在作为成膜剂时,它能够使得纤维具有耐磨、耐酸碱等特性。在本文中作为辅成膜剂与环氧混合,涂覆该种浸润剂的纤维,力学性能和复合材料性能一般。但是由于聚酯的存在,使得纤维耐磨,在使用时不会出现断丝的现象适合在纺织时使用。通过润剂中添加经偶联剂改性的二氧化硅纳米粒子,使得偶联剂将纳米SiO2链接在纤维表面,有效的改变了玄武岩纤维光滑的表面,增加了玄武岩纤维表面粗糙度,使得纤维与环氧树脂基体之间的结合力大大增强,层间剪切强度提高5%左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 玄武岩纤维的国内外研究进展现状
• 1.2.1 连续玄武岩纤维国外发展状况
• 1.2.2 连续玄武岩纤维国内发展状况
• 1.2.3 玄武岩纤维的化学成分和结构
• 1.3 连续玄武岩纤维用浸润剂国内技术现状
• 1.3.1 浸润剂成膜粘结组分
• 1.3.2 偶联剂
• 1.3.3 润滑剂及抗静电剂
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 实验器材和实验方法
• 2.1 实验药剂与仪器设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 玄武岩连续纤维通用浸润剂的配制
• 2.3 改性浸润剂的制备
• 2 纳米粒子的改性'>2.3.1 Si0₂纳米粒子的改性
• 2.3.2 纳米改性浸润剂的制备
• 2.4 浸润剂涂覆工艺
• 2.5 性能测试与分析
• 2.5.1 断裂强力
• 2.5.2 复丝拉伸强度测试
• 2.5.3 层间剪切强度测试
• 2.5.4 浸润性表征分析
• 2.5.5 纤维表面形貌分析
• 2.6 玄武岩纤维的耐腐蚀试验
• 2.7 浸润剂膜粘接强度分析
• 2.8 浸润剂稳定性表征
• 第3章 浸润剂的研制及表征
• 3.1 玄武岩纤维浸润剂制备
• 3.1.1 各组分的调配
• 3.1.2 偶联剂的水解与使用
• 3.1.3 浸润剂使用过程中常见问题与处理
• 3.2 通用玄武岩纤维浸润剂配方设计及表征
• 3.2.1 通用玄武岩纤维浸润剂配方设计
• 3.2.2 通用玄武岩纤维浸润剂的稳定性研究
• 3.2.3 玄武岩纤维浸润剂表面张力分析
• 3.2.4 通用玄武岩纤维浸润剂粘结强度表征分析
• 3.2.5 浸润剂涂层耐碱腐蚀性能分析
• 2 改性浸润剂配方设计及表征'>3.3 纳米SI0₂改性浸润剂配方设计及表征
• 2 玄武岩纤维浸润剂配方设计'>3.3.1 纳米Si0₂玄武岩纤维浸润剂配方设计
• 2 玄武岩纤维浸润剂稳定性'>3.3.2 纳米Si0₂玄武岩纤维浸润剂稳定性
• 2 改性浸润剂表面张力'>3.3.3 纳米Si0₂改性浸润剂表面张力
• 3.4 本章小结
• 第4章 玄武岩纤维性能研究
• 4.1 玄武岩裸纤维性能研究
• 4.1.1 玄武岩纤维原丝表面形貌的分析
• 4.1.2 玄武岩纤维化学成分分析
• 4.1.3 玄武岩纤维表面能分析
• 4.1.4 玄武岩纤维机械性能分析
• 4.2 浸润剂涂覆玄武岩纤维性能研究
• 4.2.1 不同涂层纤维表面能分析
• 4.2.2 不同涂层纤维机械性能分析
• 4.2.3 不同涂层纤维复合材料性能分析
• 4.2.4 不同涂层纤维对树脂吸附量研究
• 4.2.5 浸润剂作用机理分析
• 4.3 纳米改性浸润剂玄武岩纤维性能研究
• 4.3.1 纳米改性玄武岩纤维的表面形貌
• 4.3.2 纳米改性玄武岩纤维机械性能分析
• 4.3.3 纳米改性玄武岩纤维表面能分析
• 4.3.4 纳米改性纤维对树脂吸附量研究
• 2 改性玄武岩纤维复合材料的作用机理分析'>4.3.5 纳米Si0₂改性玄武岩纤维复合材料的作用机理分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢