S型玻璃纖維復合材料的熱性能研究

摘要：本文以高強玻璃纖維編織布（S玻璃）為試驗對象，利用熱重差熱分析儀對其熱性能進行分析，得出該材料的差熱和熱重曲線。通過分析曲線得到其熱解溫度范圍，對消防安全、材料等領域具有一定的指導意義。

關鍵詞：玻璃纖維；DTA曲線；TG（DTG）曲線

1 研究背景

隨著科技的發展，玻璃纖維復合材料已成為建筑、交通、電子、化工、環境保護、國防等行業必不可少的原材料。與傳統有機纖維材料相比，該材料具有抗腐，隔熱、隔音性好，抗拉強度高，電絕緣性好等特點，具有非常重要的研究意義。

1.1 玻璃纖維復合材料分類

依照玻璃纖維中的堿金屬氧化物含量，通常分為無堿、中堿、高堿、耐堿、高強玻璃纖維等。其中，高強玻璃纖維又稱S玻璃。這類玻璃纖維的拉伸強度高，彈性模量大，高溫下擁有良好的強度保留率和疲勞強度，多用于制造復合材料高壓容器。本文所討論的玻璃纖維復合材料熱性能是基于S高強玻璃纖維進行的。

1.2 國內外研究現狀

目前國內外對于玻璃纖維的研究雖有很多，但大都集中于對玻璃纖維力學性能和制備工藝技術改良的研究，而對玻璃纖維熱性能的研究還存在很多空白。玻璃纖維作為在建筑、橋梁、航空等重要領域中使用的復合材料，其熱性能不容忽視。

1.3 本文研究內容

本文主要對S型玻璃纖維復合材料的熱性能進行研究，利用島津DTG60（H）差熱熱重同步分析儀對其熱解性能進行分析，得到其差熱熱重曲線，并分析其在不同溫度范圍下，樣本重量的變化情況。

2 試驗部分

2.1 試驗原理

TG與DTA的測量都需要熱天平，熱天平將電路和天平連接起來，通過控溫儀使加熱電爐按一定的升溫速率升溫（或恒溫）。當被測試樣發生質量變化時，光電傳感器能夠將質量變化直接轉化為電訊號，其變化信息通過記錄儀描繪出熱重（TG）曲線。

2.2 樣本制備

將試驗樣品磨成粉末狀，用500目（直徑）的篩子篩選。試樣質量為20.853mg。初始溫度為26.03℃，升溫速率為10℃/min，溫度范圍：25～800℃，氣體介質為空氣。

樣本的DTA、TG、DTG曲線圖

3 結果分析

3.1 差熱分析法

差熱分析法（DTA）是在程序控制溫度下，測量試樣與參比物之間的溫度差與溫度關系的一種技術。通過分析差熱曲線峰值，判定物質的吸放熱。降低表現為吸熱反應，升高表現為放熱反應。

上圖左為玻璃纖維復合材料的DTA曲線，熱解過程共出現一個吸熱峰和三個放熱峰。當溫升至300℃左右到達第一個放熱峰，由于環氧樹脂中的環氧基性質活潑，使得樣本中的基體首先分解并放出熱量。[1]溫升至400℃左右時，環氧樹脂劇烈燃燒，產生大量的可燃性氣體，使玻璃纖維增強體達到軟化溫度，由固態經液態向氣態轉變。因此吸收熱量，出現峰面積較小的吸熱峰。溫升至450℃到達第二個放熱峰，環氧樹脂繼續分解放熱。溫升至550℃左右時到達第三個放熱峰，環氧樹脂基本完全分解，玻璃纖維達到分解溫度開始分解。

3.2 熱重分析法

熱重分析法是樣品在指定的升溫速率下，研究其重量減少速率的一種分析方法。這種重量與溫度變化關系的曲線稱之為TG曲線。除此之外還可以繪出TG曲線的一次微分曲線即DTG曲線，通過分析DTG曲線圖像，能更直觀的找到質量與溫度之間的變化規律。

3.2.1 TG曲線分析

圖一中為玻璃纖維復合材料的TG曲線，由圖可知TG曲線總體呈現下降趨勢，共有三個失重階段。在初始階段室溫～150℃之間以及加熱后期650～800℃，試樣質量減少不明顯。當積聚的質量變化達到起始溫度200℃，此后溫度逐漸升高熱量積聚，約在250℃時達到失重前基線的延長線與TG曲線拐點處切線的交點所對應的溫度，即起始外推溫度。由于基體中的環氧基性質活潑，因此從起始外推溫度開始，環氧樹脂開始熱分解。而后溫升至350～450℃，環氧樹脂熱分解速率加快，質量迅速減少。溫度升至450～600℃，玻璃纖維開始分解，試樣質量再次減少。隨后溫升至終止外推溫度650℃時，試樣質量變化趨于零。

3.2.2 DTG曲線分析

圖一右為樣本的DTG曲線。曲線上的峰值為失重速率最大值點，與TG曲線的拐點相對應。DTG曲線上的峰數與熱重曲線的階數相等，DTG曲線峰面積與試樣的質量損失成正比，峰面積越大質量損失越多。由圖象可知，DTG曲線出現三個波峰。由此推斷樣本的失重有三個階段。當溫升至300℃左右時，出現首峰。第一失重階段為環氧樹脂的熱分解，這是因為環氧樹脂的結構中有極為活潑的環氧基存在。當溫升至350450℃之間時，主峰出現，峰形尖銳，到達第二失重階段，此時為環氧樹脂的劇烈熱分解階段，雙酚A型環氧樹脂的分子結構決定了其耐熱性能較差。[2]當溫升至550℃，玻璃纖維開始分解，此為第三失重階段。此后溫度繼續上升，熱分解基本結束。

4 結論

S型高強玻璃纖維的熱解過程主要分為三個階段，第一階段在（250350℃）、第二階段在（350450℃）、第三階段在（450600℃）。材料在第二階段內的失重速率最快。第一與第二階段，雙酚A型環氧樹脂作為主要熱解物，第三階段玻璃纖維為主要熱解物，整個失重階段變化幅度較大。

參考文獻：

[1]陳鏡泓.熱分析及其應用[M].北京：科學出版社，1985.

[2]王德中.環氧樹脂生產與應用[M].北京：化學工業出版社，2001，6.

作者簡介：張家輝（1993），男，遼寧遼陽人，研究生在讀，研究方向：安全科學與工程。