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石英纖維的表面處理方法 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2013-08-26 09:02:36 瀏覽次數: |
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石英纖維是將高純石英高溫熔化后拉制成絲的,是一種SiO2含量高(>99.95%)的無機高性能纖維,具有耐高溫絕緣、耐燒蝕、耐腐蝕、隔熱透波、優良的介電性能,廣泛應用于航空、航天、軍事、醫學等高端領域,例如導彈天線罩、發動機套管、隔熱層、生物導管等。
石英纖維
石英纖維通常被作為增強體,與樹脂基或陶瓷基制備成高性能復合材料,復合材料的性能不僅取決于增強纖維與基體的性能,而且很大程度上取決于兩者界面結合力的強弱。然而在石英纖維生產過程中為了保持其集束性、成膜性、抗靜電性等性能,經常會添加有機浸潤劑,有機浸潤劑的存在一方面會影響與基體的界面結合力,導致復合體系性能的降低;另一方面石英纖維的應用領域經常需要耐受高溫,有機浸潤劑遇到高溫將發生碳化,游離碳的存在也會影響產物的性能。
因此在使用石英纖維之前,需對其進行表面處理,改善纖維和基體的界面結合性能,從而提高產物的性能。目前纖維常用的表面處理方法有:熱處理法、溶劑浸泡法、酸堿刻蝕處理、偶聯劑處理、涂層處理等。
1、熱處理法
熱處理就是利用高溫使纖維表面的原有有機浸潤劑氧化分解,同時除去纖維由于儲存而吸附的水。熱處理法工藝簡單,實用性強,只是該法單獨使用的效果欠佳,一般都作為纖維表面處理的預處理工序,與其它表面處理方法配合使用。
國防科技大學陳幫等采用熱處理和丙酮浸泡的手段對去除浸潤劑進行研究,結果表明,高溫熱處理能比較完全去除石英纖維的表面浸潤劑, 丙酮浸泡的效果并不理想,石英纖維經過處理之后其拉伸強度都明顯的降低,尤其是經過高溫處理之后強度降低幅度比較大,其強度對處理溫度比較敏感。
西安航天復合材料研究所廉云清等采用兩種方法去除石英纖維表面的浸潤劑,一種是熱處理,另一種是有機溶劑與熱處理相結合。比較石英纖維處理前后失重變化,通過 SEM、XPS 表面形貌和成分變化,得出石英纖維的表面處理,有機溶劑浸泡與高溫處理相結合優于單純的高溫處理。采用不同的升溫速率對石英纖維進行熱處理,結果表明: 升溫速率越低,石英纖維的機械強度損失越大。
2、溶劑浸泡法
溶劑浸泡法根據相似相容原則,選擇與纖維表面有機浸潤劑相容性較好的有機溶劑,對其進行浸泡處理,以去除纖維表面的雜質,從而改善纖維表面性能。
北京化工大學張曉潔等研究了有機硅樹脂/石英纖維復合材料的拉伸性能、耐高溫性能和介電性能。采用熱處理法和溶劑浸泡法配合使用對石英纖維進行表面處理,先用甲苯浸泡,繼而350℃高溫加熱400s可在獲得較好纖維強度的前提下除去浸潤劑。研究結果表明,復合材料經熱處理后仍能保持很好的力學強度和介電性能,550℃處理后,拉伸強度達到了360MPa以上,介電常數仍在3.30以下,滿足導彈天線罩用復合材要求。
山東工業陶瓷研究設計院董波等通過溶劑處理及其與熱處理相結合的方法去除石英玻璃纖維表面的浸潤劑,對石英纖維表面處理前后的狀態變化及其拉伸性能進行了研究,結果表明:單獨采用溶劑處理纖維編織體的失重為0.77%,經高溫處理后纖維略帶黃色,拉伸強度下降明顯,逐步趨向變脆并粉化,在復合材料中失去了增強的效果,而采用溶劑+熱處理工藝處理后纖維的失重為1.64%,熱處理后纖維呈亮白色,不僅可較完全的去除浸潤劑,而且還可以使石英纖維本身強度受損較少,可起到增強復合材料的效果。
3、酸堿刻蝕處理
刻蝕是通過酸堿在纖維表面進行化學反應形成一些凹陷或微孔(用堿刻蝕時,利用堿與SiO2生成可溶的硅酸鹽;用酸刻蝕時,利用酸與纖維表面的堿金屬的氧化物Al2O3、MgO、Na2O等反應生成可溶的堿金屬鹽,在纖維表面形成大量的Si-OH鍵),待纖維與基體進行復合時,一些高聚物的鏈段進入到空穴中,起到類似錨固作用,增加了纖維與聚合物界面之間的結合力,同時在增加纖維表面反應性硅烷醇的數量。其最終處理效果主要與酸堿種類、濃度、處理時間和處理溫度有關。
華東理工大學周燕等分別采用熱處理法、溶劑浸泡法(丙酮)、酸堿刻蝕處理法(硫酸酸洗)三種處理方法對石英纖維進行表面處理,通過三種處理方法的比較,較優的處理方法為30%硫酸洗滌。
4、偶聯劑處理
偶聯劑的結構通式可表示為:(RO)x-M-Ay,其中RO代表親無機基團的易水解或交換反應的短鏈烷氧基,可與纖維表面發生化學反應;M代表中心原子(Si、Ti、Al、B等);A代表與中心原子結合穩定的親有機基團的長鏈分子(酯?;㈤L鏈烷基等),它能擴散和溶解于聚合物的界面區,與聚合物鏈發生纏結和反應并與基體有很好的相容性。從其結構看,偶聯劑具有在纖維表面與樹脂之間形成化學鍵的功能,在樹脂基復合材料中起架橋作用,用偶聯劑處理表面能夠改善纖維與基體之間的潤濕性,形成一個力學上的微緩沖區,提高了界面之間的粘結力,能顯著提高復合材料的綜合性能,并可延長復合材料的使用壽命,降低纖維自身的吸水性。偶聯劑的種類很多,不同的偶聯劑對復合材料力學性能有不同的影響,增強纖維表面處理中研究最多的偶聯劑是硅烷偶聯劑。
黑龍江省石油化學研究院王勃等采用籠型低聚倍半硅氧烷(POSS)和氧化鋨改性酚醛樹脂作為處理劑,對石英纖維進行表面處理,制備出石英纖維增強芳基乙炔復合材料(SF/PAA),結果表明,處理后的石英纖維表面極性顯著增強,同時高溫下還具有消泡作用,纖維端頭有明顯的剪切痕跡,復合材料界面粘結性能得到顯著改善,復合材料的力學性能和介電性能提高。
哈爾濱工業大學楊燕采用有機硅烷偶聯劑KH560和KH550對石英纖維進行表面處理,研究結果表明:酸刻蝕-KH550能夠有效地去除原始纖維表面的Si-OH和浸潤劑,同時保持纖維本身的SiO2結構。纖維對偶聯劑KH550為化學吸附方式,而KH560為物理吸附,所以作用效果不如KH550。石英纖維經過兩種偶聯劑處理之后,復合材料的彎曲強度較之前都有了明顯的提高,其中偶聯劑KH550的使用效果要優于KH560,復合材料的室溫強度(119.1MPa)能夠比用KH560的復合材料(104.2MPa)高出 14.3%,300℃時能達到后者的兩倍。
5、涂層處理
一般采用溶膠-凝膠等技術將Al2O3、BN等涂覆到纖維表面形成膜狀或晶須,改善其與基體的界面結合的表面處理方法。
哈爾濱工業大學王磊等采用溶膠-凝膠法在石英纖維的表面涂敷Al2O3涂層,用AFM對涂敷后纖維的表面形貌進行了研究,并通過束絲拉伸強度的測試優化了Al2O3涂層熱處理工藝條件,著重分析了Al2O3涂層對石英纖維增強甲基硅樹脂復合材料界面性能的影響。結果表明, Al2O3涂層在500℃下可有效隔絕石英纖維與樹脂基體之間的反應,改善復合材料的界面強度,提高復合材料的層間剪切性能。經400、600℃熱處理后的Al2O3涂敷石英纖維增強復合材料的層間剪切強度分別為8.2、5.4MPa,分別是未涂敷復合材料的3.4倍和2.3倍。
華東理工大學周燕等先用30%硫酸對石英纖維表面進行酸洗處理后,通過溶膠-凝膠技術制備Al2O3涂層石英纖維,實驗結果表明,Al2O3涂層提高了石英纖維的強度和熱穩定性,其優化涂膜量為4.6%,最佳熱處理條件為250℃/10min,Al2O3涂層石英纖維增強磷酸鹽基復合材料的常溫機械性能優良,其高溫處理后的機械穩定性優于未涂層纖維增強的復合材料。
北京航空航天大學王海麗等以硼酸和尿素為氮化硼源,氮氣氣氛下,采用溶液浸涂法在石英纖維表面低溫制備了氮化硼涂層。結果表明:硼酸和尿素在氮氣氣氛下于850℃反應5h,得到的BN涂層為鵝卵石狀,產物中含有納米尺寸的t-BN和無定型BN兩種不同形態;纖維表面涂層質量隨浸漬次數變化,浸涂一次的纖維表面涂層不連續,存在大量孔洞;浸涂三次的纖維表面光潔,涂層均勻,且無剝落或開裂現象;浸涂大于三次,纖維表面出現大量聚集顆粒,表面不光滑,但亦無剝落或開裂現象。
隨著石英纖維增強樹脂基復合材料在許多重要領域應用的增加,必然對石英纖維增強樹脂基復合材料的綜合力學性能提出更高的要求。因此,對石英纖維進行表面處理,改善石英纖維與樹脂基體的界面性能,提高界面質量和復合材料的綜合性能,必將得到更多的重視。 |
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