熱處理工藝對無堿玻璃纖維基布性能的影響

田曉姍，許聯(lián)盟，劉彩虹

（陜西華特新材料股份有限公司，陜西 咸陽 713100）

在玻璃纖維拉絲工序中，如果不在玻璃纖維表面使用浸潤劑，會因磨損造成斷絲、飛絲，致使拉絲作業(yè)無法進行，且數(shù)百上千根分散、易折斷的玻璃纖維原絲無法在后道工序中加工成外觀及性能均合格的產(chǎn)品。浸潤劑既可以有效地改變玻璃纖維的某些缺陷和表面性能、潤滑纖維表面，又可以很好地將單絲集束，不易分散；極大程度改善了后道工序的加工性能[1]。

玻璃纖維增強復合材料以其自身高強度、高模量、良好的易成型性、絕緣性能好、抗腐蝕和疲勞損傷等優(yōu)良特性，在航空、石化、加工和自動化工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，其性能不僅取決于玻璃增強纖維與基體的性能，而且在很大程度上取決于界面黏結(jié)的強弱。提高樹脂與纖維界面黏結(jié)能力的有效途徑就是對纖維表面進行表面處理。對于一種固定商品牌號的玻璃纖維，其表面的浸潤劑組成是固定的，但由于復合材料基體樹脂的種類繁多，且不同種類基體樹脂的化學和物理性能相差很大，因此不可能有一種適合所有或大部分基體樹脂的浸潤劑組成，同一種浸潤劑組成的玻璃纖維增強不同種類的基體時終復合材料的力學性能相差很大，因此就決定了玻璃纖維表面處理的多樣性，同時也決定了玻璃纖維表面處理的必要性。玻璃纖維主要的處理方法有熱處理法、酸堿刻蝕處理法、偶聯(lián)劑處理法、表面接枝處理法、等離子體處理法和稀土表面處理法等。

石蠟型浸潤劑是紡織型浸潤劑的一種，具有集束、潤滑、軟化纖維和防靜電的作用，還具有保護纖維、修復微裂紋、提高強力和提高紡織性能的作用，是目前我國玻璃纖維拉絲工序生產(chǎn)過程中使用的常用配方。該浸潤劑的組分來源相對豐富，且價格較低，拉絲及后道紡織加工性能較好，是很多國內(nèi)玻璃纖維生產(chǎn)廠家使用的常用浸潤劑類型之一。為了使玻璃纖維基布與樹脂、橡膠和其他物質(zhì)能很好地黏合，本文采用熱處理工藝去除玻璃纖維表面妨礙與樹脂復合的石蠟型浸潤劑。

熱處理是指將玻璃纖維基布在一定的條件下、一定的溫度下加熱，以使其被覆蓋的浸潤劑組分分解、碳化和燃燒而除去的工藝，對用石蠟型浸潤劑原絲生產(chǎn)的紡織品，必須除去這些浸潤劑，因為其會妨礙玻璃纖維織物與樹脂和其他織物的黏合。按處理工藝分間歇法和連續(xù)法2 種。間歇法一般采用低溫處理，處理時間長達幾十個小時，連續(xù)法處理溫度一般溫度較高，處理時間幾十秒。

熱處理工藝是否可行，是通過玻璃纖維布上的浸潤劑殘留量與纖維強力保留率來判斷，即既要有低的浸潤劑殘留量，又要使玻璃纖維布有高的強力保留率。玻璃纖維布上的浸潤劑殘留量越少，越能有效提高復合材料的性能；但使浸潤劑殘留量越少，需處理的溫度越高、處理時間越長，這樣就有可能造成玻璃纖維布強力保留率降低。

本文研究了間歇法的不同熱處理工藝對無堿玻璃纖維基布性能的一些影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

無堿玻璃纖維基布，產(chǎn)品代號為EW200A，具體性能指標見表1。

表1 無堿玻璃纖維基布性能指標

1.2 試驗設(shè)備

公司自主設(shè)計的高溫爐；WSD-III 型全自動白度計，北京康光儀器有限公司；CMT2503 型微機控制電子拉力試驗機，深圳市新三思材料檢測有限公司；DHG-9123A 型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；NWTX1412 型高溫爐，洛陽納維特爐業(yè)有限公司；ME104E 型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 試驗過程

1.3.1 溫度對無堿玻璃纖維基布性能影響試驗

將無堿玻璃纖維基布按照數(shù)量及位置要求放入生產(chǎn)用高溫爐體內(nèi)，然后分別在350 ℃、380 ℃、400 ℃和410 ℃下保溫烘焙19 h，觀察熱處理前后可燃物含量、拉伸強力和白度等指標的對比情況，見表2。

表2 溫度對無堿玻璃纖維基布的性能影響工藝方案

1.3.2 時間對無堿玻璃纖維基布性能影響試驗

將無堿玻璃纖維基布按照數(shù)量要求放入生產(chǎn)用高溫爐體內(nèi)，然后分別在400 ℃下保溫烘焙16、18、20 和22 h，觀察熱處理前后可燃物含量、拉伸強力和白度等指標的對比情況，見表3。

表3 時間對無堿玻璃纖維基布的性能影響工藝方案

1.4 性能測試

無堿玻璃纖維基布可燃物含量的測試，GB/T 9914.2—2013《增強制品試驗方法第2 部分：玻璃纖維可燃物含量的測定》，采用ME104E 型電子天平對熱處理前后的質(zhì)量差進行測試。

無堿玻璃纖維基布拉伸強力的測試，GB/T 7689.5—2013《增強材料 機織物試驗方法 第5 部分：玻璃纖維拉伸斷裂強力和斷裂伸長的測定》，采用CMT2503 型微機控制電子拉力試驗機測試。

無堿玻璃纖維基布白度的測試方法采用WSD-III型全自動白度計進行測試。

2 結(jié)果與分析

熱處理過程是將纖維原有的浸潤劑除去，使原來集束成一股的纖維變松散，從而使每根纖維受力不均，而導致玻璃纖維布強力下降。熱處理的最終目的是徹底清除無堿玻璃纖維基布含有的有機物，根據(jù)制品用途及性能要求不一樣。

熱處理工藝的主要參數(shù)是溫度和時間，既要兼顧浸潤劑殘留量，又要確保玻璃纖維織物熱處理后的強力保留率。通常玻璃纖維熱處理分高溫熱處理（處理溫度500～600 ℃），中溫熱處理（處理溫度400～500 ℃），低溫熱處理（處理溫度400 ℃以下）。

本文選擇中低溫熱處理方式，在公司生產(chǎn)用熱處理爐進行試驗，該熱處理的優(yōu)點是織物表面平整、顏色均勻及白度較高，缺點是織物強度大幅下降，強力保留率較低。試驗目的為研究不同的熱處理溫度和時間對無堿玻璃纖維基布性能的影響；同時盡可能不影響纖維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高強力保留率，保證布面外觀質(zhì)量和可燃物含量達標，使得基布的強力保留率在70%以上，可燃物含量在0.2%以下，熱處理基布的白度指標在80 以上。

2.1 對無堿玻璃纖維基布可燃物含量的影響

玻璃纖維表面浸潤劑是指一系列無機物與有機物混合而成的體系，其中主要包括成膜集束劑、偶聯(lián)劑、潤滑劑和抗靜電劑等，還有些輔助成分，如潤濕劑、增塑劑和消泡劑等[2]，經(jīng)過一定時間的高溫環(huán)境碳化其表面浸潤劑，浸潤劑將逐步氧化、分解和揮發(fā)。本文用可燃物含量指標來表征熱處理后基布浸潤劑殘留量的多少，其值越小，說明浸潤劑殘留量越少。由圖1 可以看出，無堿玻璃纖維熱處理基布的可燃物含量隨著熱處理溫度的升高而不斷降低。由圖2 可以看出，在一定溫度條件下，隨著時間的不斷延長，無堿玻璃纖維熱處理基布的可燃物含量逐漸降低。

圖1 可燃物含量與熱處理溫度的關(guān)系

圖2 可燃物含量與熱處理時間的關(guān)系

2.2 對無堿玻璃纖維基布拉伸強力的影響

為了使得與樹脂復合的制品具有良好的機械性能，經(jīng)過熱處理的基布不僅要求浸潤劑殘留量很少，同時也要求經(jīng)過長時間熱處理后基布的強力損失小，所以在熱處理過程中，盡量選擇適宜的熱處理溫度和時間。由圖3 可以看出，隨著熱處理溫度的增加，無堿玻璃纖維基布的強力保留率不斷降低，且熱處理溫度超過400 ℃時，強力保留率下降速率加劇。通過圖4 可以看出，隨著熱處理時間的增加，無堿玻璃纖維基布的強力保留率也不斷降低，且時間越長對強力的損傷越大。

圖3 熱處理溫度對無堿玻璃纖維基布強力保留率的影響

圖4 熱處理時間對無堿玻璃纖維基布強力保留率的影響

2.3 對無堿玻璃纖維基布白度的影響

無堿玻璃纖維基布在經(jīng)過熱處理后會因為浸潤劑碳化、分解和揮發(fā)不徹底，表面殘留部分有機物，造成布面顏色呈不規(guī)律褐色或淺褐色，一方面影響布面外觀質(zhì)量，另一方面殘留的不規(guī)則的有機物也會影響后道與樹脂等復合界面的黏性，因此也需要選擇合適的熱處理工藝，以確保布面顏色的潔白。

公司采用WSD-III 型全自動白度計進行測試，測試白度越高，表示布面越潔白。由圖5 可以看出，隨著熱處理溫度的不斷升高，無堿玻璃纖維基布的白度越高，即布面顏色越潔白，且溫度超過400 ℃時，白度增加的趨勢更明顯。由圖6 可以看出，隨著熱處理時間的不斷延長，無堿玻璃纖維基布的白度也越高，即布面顏色越潔白，但超過19 h 以后，白度增加的趨勢變緩，白度增加不明顯。

圖5 熱處理溫度對無堿玻璃纖維基布白度的影響

圖6 熱處理時間對無堿玻璃纖維基布白度的影響

3 結(jié)論

通過上述特定熱處理試驗得出以下結(jié)論。

（1）熱處理溫度越高，熱處理時間越長，無堿玻璃纖維基布的可燃物含量也越低，即其表面殘留的浸潤劑越少。

（2）熱處理溫度越高，熱處理時間越長，無堿玻璃纖維基布的強力保留率也在不斷降低，且溫度超過400 ℃時，其強力損失程度加劇。

（3）熱處理溫度越高，熱處理時間越長，無堿玻璃纖維基布的白度越高，即布面顏色越潔白。

（4）根據(jù)實際批量生產(chǎn)條件，綜合考慮強力保留率、可燃物含量和白度等無堿玻璃纖維基布性能，確定公司EW200A 無堿玻璃纖維基布的熱處理工藝為400℃，19h。

需要說明的是，除上述指標，具體熱處理的工藝仍與很多其他因素相關(guān)，如外界溫濕度環(huán)境、玻璃纖維布的厚度、玻璃纖維布卷裝容量的大小等，具體的熱處理工藝要根據(jù)實際工況條件作適當調(diào)整。