第二章材料表面处理工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程
第二章 材料表面处理工艺及设备 教学参考资料 武汉理工大学精品课程
1材料表面处理工艺及设备引言：复合材料作为一个多相体系、材料的性能除了与组份材料有关之外，还与组份材料之间的界面性能有密切的关系。复合材料界面理论就是一门专门研究复合材料界面性能的课程。复合材料界面理论在复合材料生产中的应用即为增强材料的表面处理。2.1增流纤维表面处理的意义一、复合材料基本性能与增强材料和共体材料间界面性能的（或与增强纤维表面处理的）关系。1、复合材料的基本性能与单一组份材料性能的非线性关系，再次表明界面性能在复合材料基本性能中的重要作用。2、复合材料的界面性能，当然与纤维、本体两者的表面性能有关，但更重要的是取决于纤维的表面性能（表面组成、结构，性质等）。3、增强材料表面处理的目的，改善纤维的表面性状、提进纤维与基体间的粘接性能，最终提高复合材料的基本性能。二、阻碍或影响纤维与树脂基体相互粘接的主要因素①GF呈圆柱体、光滑表面，其表面张力较大，具有多层吸附水。（化学吸附水及物理吸附水。）②GF在拉丝及纺织工序中，GF表面常添加纺织型浸润剂（石蜡型浸润剂）其中的蜡类物质如果有留于GF表面，将严重妨碍GF/Resin的界面粘接。③从相容性原理和分子扩散原理分析：GF与多类聚合物树脂结构均相差很大、相容性差；GF分子非极性，树脂分子有些虽有粘性基因，但由于分子链长、基团大，使其极性基因受到制约，与树脂分子之间不易相互扩散。④另外，CF因其表面惰性，尤其是高弹CF，这与树脂的浸润性和粘接性均很差
1 材料表面处理工艺及设备 引言： 复合材料作为一个多相体系、材料的性能除了与组份材料有关之外，还与组 份材料之间的界面性能有密切的关系。 复合材料界面理论就是一门专门研究复合材料界面性能的课程。 复合材料界面理论在复合材料生产中的应用即为增强材料的表面处理。 2.1 增流纤维表面处理的意义 一、复合材料基本性能与增强材料和共体材料间界面性能的（或与增强纤维 表面处理的）关系。 1、复合材料的基本性能与单一组份材料性能的非线性关系，再次表明界面 性能在复合材料基本性能中的重要作用。 2、复合材料的界面性能，当然与纤维、本体两者的表面性能有关，但更重 要的是取决于纤维的表面性能（表面组成、结构，性质等）。 3、 增强材料表面处理的目的，改善纤维的表面性状、提进纤维与基体间的 粘接性能，最终提高复合材料的基本性能。 二、阻碍或影响纤维与树脂基体相互粘接的主要因素 ①GF 呈圆柱体、光滑表面，其表面张力较大，具有多层吸附水。（化学吸附 水及物理吸附水。） ②GF 在拉丝及纺织工序中，GF 表面常添加纺织型浸润剂（石蜡型浸润剂）， 其中的蜡类物质如果有留于 GF 表面，将严重妨碍 GF/Resin 的界面粘接。 ③从相容性原理和分子扩散原理分析： GF 与多类聚合物树脂结构均相差很大、相容性差；GF 分子非极性，树脂分 子有些虽有粘性基因，但由于分子链长、基团大，使其极性基因受到制约，与树 脂分子之间不易相互扩散。 ④另外，CF 因其表面惰性，尤其是高弹 CF，这与树脂的浸润性和粘接性均 很差
关于纤维表面性能改善经过了长期研究，不同的纤维由于表面特性不同，采用的处理方法也不同，如GF有效的方法是被覆表面处理剂，而CF则有氧化法等其他方法。无论那种方法无非是在纤维/树脂界面上产生一系列物理、化学变化，提高纤维与树脂之间的浸润性和粘接性。关于表面处理剂在GF表面及界面的微观物理、化学反应，我们将在后面的处理剂的作用机理时讲授、这是我们看看处理剂对GRP宏观性能的影响。三、举例说明纤维源表面处理对其性能的影响1.处理剂对GRP人工气候老化结果的影响未经处理的GF一GRP初始强度很低，因老化强度损失严重、曲线下降速度较快。经处理的GF一GRP强度下降缓慢，具有更高的强度保留值。2、处理剂对FRP耐水性的改善见表2-1表2-1几种处理剂对196聚酯FRP水煮后弯曲强度保留。处理剂强度保留率（%）水煮沃兰未处理A-151KH-570时间（h)原始强度（kg/cm2）2520324030303380269.984.396.093.3853.970.992.491.62454.055.882.285.44852.250.669.667.27248.849.861.263.2而且处理剂对于FRP的耐腐蚀性，电绝缘性对FRP的强度（特别是湿度下的强度）提高等等，都有显著的效果。2.2GF的表面性质一、玻璃纤维与树脂的界面界面的概念，即两种不同介质的交接面
关于纤维表面性能改善经过了长期研究，不同的纤维由于表面特性不同，采 用的处理方法也不同，如 GF 有效的方法是被覆表面处理剂，而 CF 则有氧化法 等其他方法。无论那种方法无非是在纤维/树脂界面上产生一系列物理、化学变 化，提高纤维与树脂之间的浸润性和粘接性。 关于表面处理剂在 GF 表面及界面的微观物理、化学反应，我们将在后面的 处理剂的作用机理时讲授、这是我们看看处理剂对 GRP 宏观性能的影响。 三、举例说明纤维源表面处理对其性能的影响 1. 处理剂对 GRP 人工气候老化结果的影响 未经处理的 GF→GRP 初始强度很低，因老化强度损失严重、曲线下降速度 较快。经处理的 GF→GRP 强度下降缓慢，具有更高的强度保留值。 2、处理剂对 FRP 耐水性的改善见表 2-1 表 2-1 几种处理剂对 196#聚酯 FRP 水煮后弯曲强度保留。 未处理 沃兰 A-151 KH-570 原始强度（kg/cm2） 2 8 24 48 72 2520 69.9 53.9 54.0 50.6 48.8 3240 84.3 70.9 55.8 52.2 49.8 3030 96.0 92.4 82.2 69.6 63.2 3380 93.3 91.6 85.4 67.2 61.2 而且处理剂对于 FRP 的耐腐蚀性，电绝缘性对 FRP 的强度（特别是湿度下 的强度）提高等等，都有显著的效果。 2.2 GF 的表面性质 一、玻璃纤维与树脂的界面 界面的概念，即两种不同介质的交接面。 处理剂 强 度 保留 率（%） 水 煮 时间（h）
物化中的界面，根据物质的聚集状态，界面分为五种。纤维纺织聚合物基复合材料中的界面，主要是指纤维与树脂间的界面，以及纤维与填料、树脂与填料等界面。关于纤维与树脂的界面性能，我们已经说过主要取决于纤维的表面性能，因此我们不是通过GF的表面性能y而是GF/树脂的界面性能。二、增强材料的表面性质包括填料的表面的物理性质，化学特性及表面性能与其的关系。1、增强材料表面的物理特性（表面形态、比面积）电光学或电子显微镜研究纤维表面形态，（圆柱体表面光滑，直径小5～20uM、20uM～30uM)。由于纤维直径很细，因而在复材中具有很大的比表面积As。（所谓比表面积As是指单位体积物质所占的表面积，As=（米-")）因此对一定量物质单位，As表面物质的分散程度。）例如，1cm3的玻璃块，拉成直径为8M的GF时，其表面积由6cm2增加至5000cm2，约增加800倍。下表（见P64，表2-1）是几种增强纤维的物理性质及表面性质。①纤维直径越小，其比表面积越大，当即分散程度越大。②碳纤维阻力较大的比表面，而硼，碳化硅的比表面较小，GF介于它们之间。2、纤维表面的化学特性及表面自由能纤维的表面化学组成与结构与本体不完全相同，一般认为GF一面存在以下几种化学结构组分：①-Si0，新生态②→Si—OH，不在层结构③→Si一OD，（D+为碱，碱土金属离子）④当一SiOH很接近时，易形成氢键离合
物化中的界面，根据物质的聚集状态，界面分为五种。 纤维纺织聚合物基复合材料中的界面，主要是指纤维与树脂间的界面，以及 纤维与填料、树脂与填料等界面。 关于纤维与树脂的界面性能，我们已经说过主要取决于纤维的表面性能，因 此我们不是通过 GF 的表面性能 y 而是 GF/树脂的界面性能。 二、增强材料的表面性质 包括填料的表面的物理性质，化学特性及表面性能与其的关系。 1、增强材料表面的物理特性（表面形态、比面积） 电光学或电子显微镜研究纤维表面形态，（圆柱体表面光滑，直径小 5～ 20uM、20uM～30uM）。 由于纤维直径很细，因而在复材中具有很大的比表面积 As。（所谓比表面积 As 是指单位体积物质所占的表面积，As= V S （米-1））因此对一定量物质单位， As 表面物质的分散程度。） 例如，1cm3 的玻璃块，拉成直径为 8M 的 GF 时，其表面积由 6cm2 增加至 5000cm2，约增加 800 倍。 下表（见 P64，表 2-1）是几种增强纤维的物理性质及表面性质。 ①纤维直径越小，其比表面积越大，当即分散程度越大。 ②碳纤维阻力较大的比表面，而硼，碳化硅的比表面较小，GF 介于它们之 间。 2、纤维表面的化学特性及表面自由能 纤维的表面化学组成与结构与本体不完全相同，一般认为 GF 一面存在以下 几种化学结构组分： ①→Si—O-，新生态 ②→Si—OH，不在层结构 ③→Si—OD，（D+为碱，碱土金属离子） ④当→Si—OH 很接近时，易形成氢键离合
其中，GF表面结构主要是第2种的硅层结构，第一种新生态，不稳定暴露在处易吸水转变或在表层结构，第三种种结构分量很少。综上所述，GF表面结构可认为，以硅层结构为主，有可分氢键缔合，含有少量碱，碱土金属氧化物，并且表面层吸附多层小分子。工￥HH纤维的表面的元素和官能团，决定了它们表面的反应活性，通过改变纤维表面的化学组成及结构，以提高其化学活性，这就是表面处理剂的机理。纤维的表面自由能纤维表的自由能的大小（即表面张力）是衡量纤维能合与树脂达到良好浸润的标准。（一般规律、固体若要使液体润湿、固体表面张力应大于液体表面张力）常用共价材料的表面张力约是35～45N/cm之间。如：通用型聚酯35N/cm，双酚A环氧43N/cm。因此要求纤维的表面张力大于45N/cm。大多增强纤维由于是有氧化表面，有利于形成具有高表面自由能（表面张力）的表面，但其它的表面被污染，或表面吸小，则表面张力下降，结合影响纤维表面的润湿。3、表面性质与表面结构的关系纤维的表面性质（尤其是表面化学性质、表面自由能、表面反应活性）不仅
其中，GF 表面结构主要是第 2 种的硅层结构，第一种新生态，不稳定暴露 在处易吸水转变或在表层结构，第三种种结构分量很少。综上所述，GF 表面结 构可认为，以硅层结构为主，有可分氢键缔合，含有少量碱，碱土金属氧化物， 并且表面层吸附多层小分子。 H H o H H o o S i o H o S i o H o S i o H o S i o S i o D + H 纤维的表面的元素和官能团，决定了它们表面的反应活性，通过改变纤维表 面的化学组成及结构，以提高其化学活性，这就是表面处理剂的机理。 纤维的表面自由能 纤维表的自由能的大小（即表面张力）是衡量纤维能合与树脂达到良好浸润 的标准。 （一般规律、固体若要使液体润湿、固体表面张力应大于液体表面张力） 常用共价材料的表面张力约是 35～45N/cm 之间。如：通用型聚酯 35N/cm， 双酚 A 环氧 43N/cm。因此要求纤维的表面张力大于 45N /cm。 大多增强纤维由于是有氧化表面，有利于形成具有高表面自由能（表面张力） 的表面，但其它的表面被污染，或表面吸咐小，则表面张力下降，结合影响纤维 表面的润湿。 3、表面性质与表面结构的关系 纤维的表面性质（尤其是表面化学性质、表面自由能、表面反应活性）不仅