水溶性上漿劑對(duì)SiBN纖維表面處理改性的研究

摘 要：為了解決SiBN纖維在編織加工中毛絲量大、集束性差、耐磨性及拉伸力學(xué)性能低等問(wèn)題，制備了水溶性上漿劑，對(duì)纖維進(jìn)行二次上漿表面處理。結(jié)果表明，該水溶性上漿劑不僅能夠提升SiBN纖維的機(jī)械性能與表面性能，而且制備簡(jiǎn)單，整體性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：SiBN纖維；上漿劑；表面處理；界面性能

中圖分類號(hào)：J523.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－414X（2023）03－0047－05

0" 引言

SiBN纖維作為一種高性能陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和很高的熱穩(wěn)定性，而且具有較低的介電常數(shù)，其抗燒蝕性能也比熔融石英好，能夠經(jīng)受惡劣飛行條件下的熱振，因此SiBN纖維被視作最有希望的天線罩材料[1-4]。但是SiBN纖維脆性大、力學(xué)強(qiáng)度低，在制備過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)纖維斷裂和毛絲等問(wèn)題，在運(yùn)用到復(fù)合材料中時(shí)，界面粘結(jié)性差，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，不利于后續(xù)的纖維編織等工藝過(guò)程[5-6]。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以對(duì)SiBN纖維進(jìn)行上漿處理，上漿劑在纖維表面形成一層保護(hù)膜，從而提升SiBN纖維機(jī)械性能與表面性能。常見(jiàn)的上漿劑為有機(jī)溶劑，這會(huì)導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的污染，以及對(duì)人的身心健康造成危害，并且有機(jī)溶劑的成本較高[7]。本文的研究采用綠色環(huán)保無(wú)毒無(wú)害的去離子水作為溶劑，攻克了水溶性上漿劑長(zhǎng)期儲(chǔ)存易分層、絮凝、沉淀的問(wèn)題，制備了穩(wěn)定均一、綠色環(huán)保的水溶性上漿劑，對(duì)SiBN纖維進(jìn)行上漿后，SiBN纖維的拉伸強(qiáng)度、耐磨性、毛絲量、集束性等性能都有很好的改善。使纖維運(yùn)用在后續(xù)的復(fù)合材料中，可織性有很大提高，從而發(fā)揮更好的性能作用[8-9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用的SiBN纖維產(chǎn)自國(guó)防科技大學(xué)；乳化劑（滲透劑）為脂肪醇聚氧乙烯醚；成膜劑為含乙烯基和丙烯酸基的特種高分子乳液；成膜助劑為十二碳醇酯；穩(wěn)定劑為氟碳化合物共聚物；柔軟劑為聚乙烯乳液；去離子水。

1.2 纖維的表面預(yù)處理

由于纖維在出廠前都會(huì)進(jìn)行一次上漿料工藝處理，以防止纖維在后續(xù)的運(yùn)輸、加工過(guò)程中產(chǎn)生毛絲、引起斷裂，影響纖維的加工性能。為了使纖維能夠有更好的上漿效果，方便更好地研究上漿劑對(duì)纖維基體表面的改性作用，要先對(duì)纖維表面進(jìn)行預(yù)處理，除去出廠前的上漿劑[10]。本文直接采用高溫處理法對(duì)SiBN纖維進(jìn)行表面處理，在高溫下SiBN纖維表面發(fā)生多種的物理和化學(xué)變化，不僅表面得到了清潔，還可以產(chǎn)生刻蝕而粗糙，具有促進(jìn)SiBN纖維與后續(xù)的偶聯(lián)劑和浸潤(rùn)劑粘合的作用，大幅提高連續(xù)纖維的性能。

1.3 上漿劑的制備

SiBN纖維的上漿處理決定了纖維后續(xù)的加工性能，上漿劑的組成和上漿率對(duì)纖維的物理性能和化學(xué)性能有著很重大的影響[11-12]。上漿劑的制備主要包括主漿料、水、穩(wěn)定劑、乳化劑、成膜助劑、柔軟劑的依序添加，添加條件的限定，以及各種原料的用量限定，直至混合均勻，再靜置，以獲得SiBN纖維專用上漿劑，該上漿劑為乳白色，屬于水溶性乳液型上漿劑。

1.4 纖維和上漿劑的測(cè)試與表征

SiBN纖維在后續(xù)的加工制造過(guò)程中，需要能夠承受反復(fù)的拉伸或摩擦作用力所帶來(lái)的復(fù)合應(yīng)力對(duì)纖維束絲的損傷，所以SiBN纖維的綜合性能對(duì)其后續(xù)的加工制造，及其制成復(fù)合材料的性能有著重大的影響。SiBN纖維束的毛絲量、集束性、拉伸強(qiáng)度、耐磨性對(duì)纖維的織造適應(yīng)能力影響最大[13]，所以本文主要對(duì)SiBN纖維束的毛絲量、集束性、拉伸強(qiáng)度、耐磨性幾個(gè)方面進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4.1" SiBN纖維束上漿率的測(cè)定

上漿率是考察上漿劑在纖維表面涂覆效率的重要參數(shù)，其實(shí)驗(yàn)方法為：將浸泡前的纖維均勻裁剪為20 cm長(zhǎng)的纖維段稱重，將纖維浸入上漿劑溶液中浸泡上漿，取出纖維后烘干稱重，取三次實(shí)驗(yàn)平均值計(jì)算上漿率，計(jì)算方法為：上漿率=（上漿烘干后纖維質(zhì)量m2-上漿前纖維質(zhì)量m1）/上漿前纖維質(zhì)量m1×100%。

1.4.2" SiBN纖維束微觀形貌表征

用掃描電鏡對(duì)不同配方濃度的上漿劑上漿后SiBN纖維的表面形貌進(jìn)行觀察，樣品保持干燥并且拍攝前進(jìn)行噴金處理。

1.4.3 SiBN纖維束的拉伸性能測(cè)試

SiBN纖維束的拉伸性能測(cè)試，參照標(biāo)準(zhǔn) GB / T 3362-2015《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，具體測(cè)試形狀及尺寸如圖1所示，使用Instron5943材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，加載速率為20 mm/min，每組試驗(yàn)測(cè)10個(gè)試樣，每組測(cè)樣有效試樣不少于6個(gè)。

1.4.4" SiBN纖維束的耐磨性測(cè)試

SiBN纖維束耐磨性能參照FZ / T 01058—1999 《紗線耐磨試驗(yàn)方法往復(fù)式磨輥法》標(biāo)準(zhǔn)，自制簡(jiǎn)易耐磨裝置。耐磨裝置的工作原理為：SiBN纖維首先由砝碼控制張力，然后由偏心轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)SiBN纖維與摩擦棒發(fā)生相對(duì)往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，記錄纖維斷裂時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間即為耐磨時(shí)間。每種試樣測(cè)試5次取平均值。

1.4.5" SiBN纖維束的集束性測(cè)試

SiBN纖維束的集束性測(cè)試，取一段200 mm長(zhǎng)的纖維束，從中間部位沿纖維軸向展開(kāi)，展開(kāi)距離為25 mm，然后用卡針把兩端固定住，觀察纖維束展開(kāi)后單絲之間的連接情況和撤去外力后纖維的恢復(fù)情況。

1.4.6" SiBN纖維束的毛絲量測(cè)試

SiBN纖維束毛絲量的測(cè)試，取一段100 cm長(zhǎng)的纖維，將其夾持在聚氨酯海綿中，在海綿上放置一個(gè)質(zhì)量為200 g的砝碼施加一定的壓力，SiBN纖維以1 m/min的速度水平運(yùn)動(dòng)，直到纖維完全通過(guò)聚氨酯海綿，SiBN纖維在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到海綿的摩擦力，一部分的毛絲會(huì)停留在聚氨酯海綿上，使用電子天平分別稱取SiBN纖維束通過(guò)摩擦前后聚氨酯海綿的質(zhì)量，計(jì)算其差值，每組試樣測(cè)量10次，取平均值作為SiBN纖維的摩擦毛絲量。

2 結(jié)果與討論

2.1 上漿率對(duì)纖維力學(xué)性能的影響

纖維的上漿率一般為0.1% ～ 10.0%，影響上漿率的主要因素有兩個(gè)方面：一是上漿劑配方，包括漿液成分、漿液濃度、粘度等；二是上漿的工藝流程，包括上漿方式、浸泡時(shí)間、烘干溫度、烘干時(shí)間等。上漿率過(guò)大，會(huì)增大纖維的脆性；上漿率過(guò)小，上漿劑在纖維表面不能有效成膜，纖維不具有抵抗編織加工時(shí)摩擦的能力[14]，所以只有將上漿率控制在一個(gè)合理的上漿率范圍，才能取得滿意的纖維加工效果。由圖2可知，通過(guò)對(duì)不同上漿率上漿后的纖維進(jìn)行拉伸測(cè)試，上漿率控制在1.0%左右，纖維能有一個(gè)最好的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度最高能夠達(dá)到120 N，而上漿率小于1.0%的纖維拉伸強(qiáng)度只有45 N，上漿率超過(guò)1.0%后，隨著上漿率的增大，纖維束絲的拉伸強(qiáng)度逐漸降低減小，當(dāng)上漿率到達(dá)2.5%時(shí)，纖維的拉伸強(qiáng)度降低到了58 N。由此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)控上漿劑的配方，上漿的工藝流程，將上漿率控制在1.0% ～ 2.0%的范圍，能夠有效地提升SiBN纖維的力學(xué)強(qiáng)度。

2.2 SiBN纖維上漿后的表面形貌

對(duì)SiBN纖維進(jìn)行不同濃度的纖維上漿劑進(jìn)行上漿，用掃描電子顯微鏡觀察上漿劑在纖維表面的成膜情況。由圖3可知，原始纖維的表面沒(méi)有上漿劑的保護(hù)，呈現(xiàn)光滑平整的外觀，單絲與單絲之間沒(méi)有連接在一起，比較松散。而上漿過(guò)后的纖維上漿劑在纖維表面形成一層薄膜，可以對(duì)纖維表面起到有效的保護(hù)作用。可以看出漿液濃度在2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時(shí)纖維表面都發(fā)生了不同程度的堆疊現(xiàn)象，當(dāng)漿液濃度增大到4.0%時(shí)，上漿劑在纖維表面能夠形成更加均勻的薄膜，沒(méi)有在纖維表面發(fā)生團(tuán)聚堆疊現(xiàn)象。說(shuō)明漿液濃度控制 4.0%時(shí)在纖維表面有一個(gè)更好的成膜情況，上漿劑能夠在纖維表面均勻成膜是提升纖維綜合性能的一個(gè)前提[15]，只有成膜均勻，才能夠保證纖維上漿后能有穩(wěn)定的性能。

2.3 SiBN纖維的拉伸性能

上漿劑在SiBN纖維表面的成膜賦予纖維束絲之間更好的摩擦力，可以提高纖維在編織過(guò)程中的力學(xué)強(qiáng)度，通過(guò)拉伸強(qiáng)度的測(cè)試考察上漿前后上漿劑對(duì)纖維力學(xué)強(qiáng)度的一個(gè)影響[15]。由圖4可看出，

上漿后的纖維相比于未上漿的原始纖維，其拉伸強(qiáng)度有了很明顯的提高，未上漿的纖維束絲在拉伸應(yīng)變（位移）0.42 mm處達(dá)到最大值力50 N，而上漿后的纖維隨著漿液濃度的增大在濃度為4.0%時(shí)拉伸應(yīng)變（位移）0.55 mm處達(dá)到最大值力110 N。因此可以得出結(jié)論，通過(guò)上漿處理后的纖維的力學(xué)強(qiáng)度有很大的提高。

2.4 SiBN纖維的耐磨性

SiBN纖維由于脆性較大，實(shí)際織造中，因?yàn)槭艿椒磸?fù)的摩擦和彎曲作用，纖維會(huì)受到較大的損傷，纖維承受這些損傷的能力決定了纖維織造適應(yīng)能力。上漿劑的主要作用就是在纖維表面形成一層保護(hù)膜，賦予SiBN纖維更好的耐磨性能，以保護(hù)纖維在編織過(guò)程中不容易產(chǎn)生損傷和斷裂[11]。因此，考察上漿前后耐磨性能差異至關(guān)重要，耐磨性能也是考察上漿劑性能的重要參考依據(jù)。由圖5可知，相對(duì)于未上漿的纖維，上漿后的纖維耐磨時(shí)間有了很多的提高，并且隨著上漿劑濃度含量提高到4.0%，耐磨時(shí)間從85 s增加到188 s。說(shuō)明上漿劑濃度的提升，可對(duì)纖維表面起到更好的保護(hù)作用，導(dǎo)致纖維的耐摩擦性能有了不同程度的提高。

2.5 SiBN纖維的集束性

纖維的集束性指纖維成束的程度，原始的SiBN纖維比較松散，有很多的毛絲，不利于后續(xù)的加工編織，上漿劑可在SiBN纖維表面形成均勻的一層保護(hù)薄膜，對(duì)纖維束絲有集束的作用，將纖維單絲聚集成束，避免了將SiBN纖維制成復(fù)合材料時(shí)由于摩擦而產(chǎn)生毛絲。由圖6可以看出，原始纖維在沿軸向展開(kāi)時(shí)，內(nèi)部的單絲之間很松散，在撤去外力過(guò)后，纖維還是有著很多松散細(xì)小的毛絲，上漿過(guò)后的纖維，單絲之間的連接更加緊密，撤去外力過(guò)后，纖維能夠較好地恢復(fù)原來(lái)的形態(tài)，上漿過(guò)后的纖維有著比原始纖維更好的集束性[16]。并且隨著漿液濃度的增加，纖維恢復(fù)原始形貌的能力呈較好的一個(gè)趨勢(shì)。

2.6 SiBN纖維的毛絲量

SiBN纖維脆性較大，在織造過(guò)程中容易因摩擦而產(chǎn)生毛絲。因此，考察上漿前后纖維摩擦的毛絲量也是纖維耐摩擦性能的重要參數(shù)[17]。由圖7和圖8可知，相對(duì)于未上漿的纖維，上漿后的纖維摩擦的毛絲量大大減少，并且隨著上漿劑中柔軟劑含量的增加，毛絲量進(jìn)一步降低。毛絲量結(jié)果結(jié)合以上耐摩擦性能結(jié)果，進(jìn)一步說(shuō)明上漿劑柔軟劑含量的提升，可對(duì)纖維表面起到更好的保護(hù)作用，導(dǎo)致纖維的耐摩擦性能有了不同程度的提高。

3 結(jié)論

本文探索了上漿劑對(duì)SiBN纖維表面性能及機(jī)械性能的影響，使用綠色環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害的水作為溶劑，探索了上漿劑的各個(gè)組分之間的最佳比例，以及相互之間產(chǎn)生的協(xié)同作用。成膜劑是幫助上漿劑能夠在纖維表面更好的形成均勻的膜，成膜助劑的加入可以協(xié)助成膜劑降低其成膜溫度；而成膜助劑（碳十二醇酯）是一種無(wú)色油狀物，在水中不易分散，加入乳化劑有助于使成膜助劑在溶液中更好的分散開(kāi)；穩(wěn)定劑的加入可以提升上漿劑的一個(gè)長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性；柔軟劑可以使纖維上漿后具有更好的柔韌性。這幾種成分相互協(xié)同的工作效果是把組成上漿劑的各種溶劑依次、單獨(dú)涂抹在纖維上所達(dá)不到，無(wú)法比擬的。

二次表面上漿處理對(duì)SiBN纖維的力學(xué)強(qiáng)度有著明顯的提升作用，本文的研究結(jié)果表明，上漿劑對(duì)SiBN纖維表面的修復(fù)及其可編織加工性有著明顯的改善作用，上漿劑在纖維束絲表面成均勻的薄膜將纖維單絲包裹住，有效地減少了毛絲量，提升了連續(xù)纖維的拉伸性能、耐磨性，并有效地降低了纖維束絲的離散型，能夠提升SiBN纖維的機(jī)械性能與表面性能。

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Study on the modification of surface treatment of silicon boron nitrogen fibers by water-soluble sizing agents

LUO Piao1，2， ZHANG Lei-ang1，2， YAO Yun-tong1，2， FANG Zheng1，2， BAO Hai-feng1，2

（1.School of Materials Science and Engineering， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China;

2.The State Key Laboratory of New Textile Materials and Advanced Processing Technology was jointly established by the province

and the ministry， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract：In order to solve the problems of large amount of hair， poor clustering， poor wear resistance and low tensile mechanical properties of SiBN fibers in the weaving process， water-soluble sizing agent was prepared for secondary sizing surface treatment of SiBN fibers. The results showed that the water-soluble sizing agent could improve the mechanical and surface properties of fibers. In addition， the sizing agent was facile to be prepared and had good stability.

Keywords：SiBN fibers; Sizing agent; Surface treatment; Interface performance

（責(zé)任編輯：周莉）