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| 石英纖維的表面處理方法 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2013-08-26 09:02:36 瀏覽次數(shù)： |
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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(yōu)良的介電性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、醫(yī)學(xué)等高端領(lǐng)域，例如導(dǎo)彈天線罩、發(fā)動機套管、隔熱層、生物導(dǎo)管等。
石英纖維
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(jié)合性能，從而提高產(chǎn)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(lián)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(yù)處理工序,與其它表面處理方法配合使用。
國防科技大學(xué)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(jié)果表明,高溫?zé)崽幚砟鼙容^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(jīng)過處理之后其拉伸強度都明顯的降低,尤其是經(jīng)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(fù)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(jié)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(jié)合優(yōu)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(jié)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(jù)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(zhì)，從而改善纖維表面性能。
北京化工大學(xué)張曉潔等研究了有機硅樹脂/石英纖維復(fù)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(jié)果表明，復(fù)合材料經(jīng)熱處理后仍能保持很好的力學(xué)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(shù)仍在3.30以下，滿足導(dǎo)彈天線罩用復(fù)合材要求。
山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院董波等通過溶劑處理及其與熱處理相結(jié)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(tài)變化及其拉伸性能進行了研究,結(jié)果表明:單獨采用溶劑處理纖維編織體的失重為0.77%,經(jīng)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(fù)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(fù)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(xué)反應(yīng)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(yīng)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(fù)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(jié)合力,同時在增加纖維表面反應(yīng)性硅烷醇的數(shù)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(guān)。
華東理工大學(xué)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(yōu)的處理方法為30%硫酸洗滌。
4、偶聯(lián)劑處理
偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)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(yīng)的短鏈烷氧基,可與纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng);M代表中心原子(Si、Ti、Al、B等);A代表與中心原子結(jié)合穩(wěn)定的親有機基團的長鏈分子(酯?；?、長鏈烷基等),它能擴散和溶解于聚合物的界面區(qū),與聚合物鏈發(fā)生纏結(jié)和反應(yīng)并與基體有很好的相容性。從其結(jié)構(gòu)看,偶聯(lián)劑具有在纖維表面與樹脂之間形成化學(xué)鍵的功能,在樹脂基復(fù)合材料中起架橋作用,用偶聯(lián)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(xué)上的微緩沖區(qū),提高了界面之間的粘結(jié)力,能顯著提高復(fù)合材料的綜合性能,并可延長復(fù)合材料的使用壽命,降低纖維自身的吸水性。偶聯(lián)劑的種類很多,不同的偶聯(lián)劑對復(fù)合材料力學(xué)性能有不同的影響,增強纖維表面處理中研究最多的偶聯(lián)劑是硅烷偶聯(lián)劑。
黑龍江省石油化學(xué)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(fù)合材料（SF/PAA），結(jié)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(fù)合材料界面粘結(jié)性能得到顯著改善，復(fù)合材料的力學(xué)性能和介電性能提高。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊燕采用有機硅烷偶聯(lián)劑KH560和KH550對石英纖維進行表面處理，研究結(jié)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(jié)構(gòu)。纖維對偶聯(lián)劑KH550為化學(xué)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(jīng)過兩種偶聯(lián)劑處理之后，復(fù)合材料的彎曲強度較之前都有了明顯的提高，其中偶聯(lián)劑KH550的使用效果要優(yōu)于KH560，復(fù)合材料的室溫強度（119.1MPa）能夠比用KH560的復(fù)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(shù)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(jié)合的表面處理方法。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(yōu)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(fù)合材料界面性能的影響。結(jié)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(yīng),改善復(fù)合材料的界面強度,提高復(fù)合材料的層間剪切性能。經(jīng)400、600℃熱處理后的Al2O3涂敷石英纖維增強復(fù)合材料的層間剪切強度分別為8.2、5.4MPa,分別是未涂敷復(fù)合材料的3.4倍和2.3倍。
華東理工大學(xué)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(shù)制備Al2O3涂層石英纖維，實驗結(jié)果表明，Al2O3涂層提高了石英纖維的強度和熱穩(wěn)定性,其優(yōu)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(fù)合材料的常溫機械性能優(yōu)良,其高溫處理后的機械穩(wěn)定性優(yōu)于未涂層纖維增強的復(fù)合材料。
北京航空航天大學(xué)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(jié)果表明:硼酸和尿素在氮氣氣氛下于850℃反應(yīng)5h,得到的BN涂層為鵝卵石狀,產(chǎn)物中含有納米尺寸的t-BN和無定型BN兩種不同形態(tài);纖維表面涂層質(zhì)量隨浸漬次數(shù)變化,浸涂一次的纖維表面涂層不連續(xù),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(xiàn)象;浸涂大于三次,纖維表面出現(xiàn)大量聚集顆粒,表面不光滑,但亦無剝落或開裂現(xiàn)象。
隨著石英纖維增強樹脂基復(fù)合材料在許多重要領(lǐng)域應(yīng)用的增加,必然對石英纖維增強樹脂基復(fù)合材料的綜合力學(xué)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(zhì)量和復(fù)合材料的綜合性能,必將得到更多的重視。 |
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