玻璃纖維增強聚酯的特性
玻璃纖維增強聚酯的特性
玻璃鋼具有質輕、高強、耐腐蝕、電絕緣、透微波等許多優良性能，它可以長期承受負荷，在許多場合可以與普通的結構材料(如鋼、鋁、木、混凝土等)競爭。通過以上增強機理的分析可知，這種復合材料在性能上還具有一些重要的特點，以下分別就其力學性能、熱性能、耐化學性與耐久性等方面進行討論。
1 力學性能
(1)強度值的離散性 玻璃纖維增強聚酯的實測強度值有較大的分散性。在模壓成型制品中強度波動可達12％～15％(鋼材為4％～10％)，在接觸成型制品中分散性更大些。玻璃鋼強度的分散性源于結構的復雜性，各組分本身及相關的變異因素的疊加及相互影響較多。例如玻璃纖維直徑標定為11μm，實際可波動于8～14μm；合股紗號數波動又可能有±(5～7)％；樹脂雖屬合格產品，但不同工廠的產品、同一工廠不同批次產品的工藝性往往不同或有波動；復合加工過程中又有不少可變因素，如纖維張力不勻，引發劑、促進劑用量不準，固化條件變化，施工操作技能的差異等均影響復合材料微觀結構中產生各種缺陷，從而使玻璃錒的終強度產生較大的離散性。
(2)脆性 玻璃鋼的應變與斷裂特性與鋼、鋁等材料不同。后者是延展性的，而玻璃鋼基本是脆性的。鋼材的斷裂伸長大于18％，而玻璃鋼只有2％左右，而且在變形0.4％～1.5％時即發生基體的永久性破壞，已不是完整的、可承受負載的材料了。
(3)各向異性 各向異性是玻璃鋼的重要特性。由于纖維只能承擔經向負荷，其拉伸強度極高；而在纖維垂直方向上則基本上不能承受負荷。于是產生了復合材料的各向異性。這是分析與設計制品時應注意的關鍵問題之一。
(4)相對的低彈性模量 玻璃鋼比強度很高，可達2×106cm以上，高于鋼材．因而可稱為輕質高強；但其彈性模量較低，纖維含量高達80％的單向玻璃鋼的縱向拉伸彈性模量(50GPa)約為普通鋼材的1／4左右，為鋁材的70％左右。剪切彈性模量更低些，玻璃鋼的剪切彈性模量只有縱向彈性模量的10％～20％。
(5)層間剪切強度與拉伸強度低 如是層合而成的玻璃鋼，由于各層之間缺少或沒有玻璃纖維的連接，因而層間拉伸強度與剪切強度接近于樹脂基體的強度。這是層合玻璃鋼的弱點，在受力下容易發生分層損壞。在不同部件的連接上也產生些困難。
(6)蠕變性 在室溫下玻璃鋼就存在著蠕變現象，其斷裂強度隨時間的延長而下降，變形逐漸發展。其原因是樹脂基體在長期荷載下具有高彈性變形的松弛特性，而玻璃纖維往往張力不勻，受拉伸后，絲束中受力大而纖維偏細或有微裂紋處先斷裂，負荷即依次轉移，使蠕變發展。圖12-3為應力σ=420N／mm2時無堿玻璃纖維的應變與時間曲線，可見相對斷裂伸長在7天后即穩定在1.1％左右。
圖12-4與圖12-5為兩種不同玻璃鋼在不同負載下的應變與時間關系曲線。圖12-4玻璃鋼材料中玻璃纖維氈含量33％(質量分數)，拉伸模量E0=10.8GPa，溫度23℃。圖12-5玻璃鋼材料中玻璃纖維氈含量31％(質量分數)，E0=6.2GPa，溫度40℃。
由以上曲線相對比，可見玻璃纖維含量增多時蠕變減小，溫度升高則蠕變增大。
2 熱性能
不飽和聚酯樹脂固化后具有較高的熱膨脹系數和較低的熱導率。在實際應用中熱膨脹系數高往往有害。加入玻璃纖維后可使熱膨脹系數下降到普通金屬水平。玻璃纖維增強聚酯的隔熱性能優于金屬，與木材相當，表12-5為常用材料的熱性能對比。
由于玻璃纖維的耐熱性優于樹脂，故不飽和聚酯采用玻璃纖維增強以后，熱變形溫度約升高20℃左右。熱變形溫度代表材料失去硬挺度的溫度界限。在外加負荷下，達到該溫度時，材料將發生顯著的蠕變，因而在設計工作中必須考慮這一點。英國標準B.S.4994規定，玻璃鋼材料的使用溫度上限為熱變形溫度以下20℃。
3 耐化學性
必須看到聚酯樹脂用玻璃纖維增強以后，其耐化學性除本書前面所介紹的以外，還取決于其他一些因素。
(1)復合材料結構的合理性 不飽和聚酯用玻璃纖維增強的方式有多種。玻璃纖維可有短切纖維氈(纖維長度50mm左右)、連續紗、粗格子布、短切散絲等。樹脂固化過程中的收縮使纖維與樹脂基體間很容易產生細微的間隙，這種間隙提供了化學介質由毛細管作用侵入基體內部的途徑。如采用短切纖維時，介質可以侵入纖維全長。如采用連續纖維時，介質也可以侵入纖維與樹脂界面，直至間斷點。介質侵人的結果使樹脂與玻璃纖維加速腐蝕，界面擴大，復合材料發生腫脹、開裂、分層，強度下降，逐漸失去使用性能。
為了防止這一界面侵蝕現象，十分重要的是選用適當的偶聯劑對玻璃纖維進行良好的表面處理，使纖維表面與樹脂緊密結合。但僅此還不足以充分保護纖維與樹脂界面不被介質侵入。還必須在復合材料與化學介質接觸的表面上采用一層由玻璃纖維或其他纖維(如聚酯纖維)薄氈增強的耐化學的膠衣樹脂層，防止任何玻璃纖維暴露于復合材料表面，堵住介質的侵入點。
(2)樹脂的固化程度 選用合適的耐化學聚酯樹脂以后，必須使樹脂達到充分固化。一般熱固化比室溫固化效果好。測定表面硬度是簡單的評價固化程度的方法。樹脂的熱變形溫度也能反映樹脂的固化反廊進行的程度。表12-6為室溫固化時間對樹脂固化反應進行程度的影響。
采用后固化可以顯著改善聚酯樹脂固化后的性能，表12-7為后固化對典型聚酯樹脂熱變形溫度的影響。
固化程度也影響膠衣樹脂的柔軟性。隨著固化程度的進展，膠衣的柔軟性下降．故膠衣的固化要適當，不可發生脆化現象。
(3)玻璃纖維的成分 增強用玻璃纖維主要選用3種玻璃類型，它們的耐化學性有差異。
無堿玻璃屬于硼硅酸鹽玻璃．具有優良的耐術性，不受大多數化學介質侵蝕。但無堿玻璃不耐強酸侵蝕，強酸會將硼硅酸鹽分解，使玻璃結構遭到破壞。故在水或水蒸氣環境以及堿性與弱酸性介質中，聚酯樹脂可使用無堿玻璃纖維增強。
含堿A玻璃組分中堿性氧化物含量達10％～15％(質量分數)，其耐水性差，但耐強酸比無堿玻璃好。故使用于高濃度酸性介質的使用條件。
表面薄氈采用C玻璃制造，其組分與A玻璃相近，用作耐化學的表面增強。但在強酸、氫氟酸或?；橘|條件下就要考慮用非玻璃質的纖維增強表面層樹脂。例如采用聚酯纖維或聚丙烯纖維所制成的薄氈等。
4 耐久性
耐久性指的是材料在給定的使用條件下能承擔其指定性能任務的有效期限。超過此期限時，材料所發生的內在的或外觀的變化就使其不能繼續滿足使用要求。由于使用性能要求的多樣性，故耐久性標準也要視具體條件而定。
從力學性能講，隨著使用時間的延長，聚酯復合材料的強度會下降。不同的復合結構在不同環境與介質條件下，其下降程度不同，以下舉例說明。
?、俨ＡЮw維的耐久性能是良好的，在開始受負荷時強度下降，但長期強度穩定。圖12-6為玻璃纖維強度耐久性曲線。
②玻璃纖維含量不同時，復合材料強度的耐久性不同。一般玻璃纖維含量高時，起始強度高，強度的耐久性也高，但在負荷開始一段時間內下降幅度大些。圖12-7為玻璃纖維氈含量由27％增加到38％時耐久強度的變化曲線。
③不同的聚酯樹脂，采用不同的增強材料，在不同使用條件下耐久性也各不相同，要按具體條件分別進行測定和分析。
表12-8為一些不同復合材料在不同條件下的彎曲強度及彎曲模量的變化情形。
5 玻璃纖維含量對復合材料性能的影響
玻璃纖維承擔了復合材料的強度。復合材料中隨著玻璃纖維含量的提高，強度也上升。如采用3種樹脂(見表12-9)，用不同的纖維材料增強，可得各項強度值隨玻璃纖維含量增加而上升。
圖12-8～圖12-11為用短玻璃纖維氈增強表12-9中3種聚酯樹脂，隨玻璃纖維體積含量的增加，復合材料的拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度以及拉伸彈性模量上升的情況。4個圖中的豎虛線為玻璃鋼制造中的適用范圍。
但玻璃纖維含量的提高有一定限度。玻璃纖維含量過多時，樹脂含量不足，浸漬不足，復合材料中夾有氣泡，樹脂收縮又造成分層．結果成為劣質產品或廢品。在模壓成型中，樹脂含量不足還可能造成交叉點玻璃纖維受壓斷裂，使制品強度下降。圖12-12為聚酯樹脂與玻璃纖維無捻紗、玻璃纖維短切氈以及亞麻復合材料的強度變化曲線。實際上，采用單向玻璃纖維無捻紗增強時，玻璃含量大，可達85％(質量分數)左右；用玻璃布作層合板，玻璃含量多可達75％(質量分數)左右；用短切纖維氈增強時，玻璃含量高可達55％(質量分數)左右。
6 玻璃纖維分布對復合材料性能的影響
玻璃纖維在復合材料中的分布對制品的力學性能影響很大。這種分布是可設計的，其典型情況有以下4種。
(1)各向同性分布 其纖維分布是無方向性的，在三維空間隨機分布。團狀模塑料制品即屬于這一類，其纖維短，纖維含量低，一般不超過30％(質量分數)，甚至只有10％(質量分數)。
(2)平面各向同性分布 其纖維在x、y兩向平面內隨機分布，表現為各向同性；在z向是分層分布。短切纖維氈與連續纖維氈的層合制品即屬這一類，其纖維含量不高，一般為25％～35％(質量分數)，大只能達到50％(質量分數)。
(3)平面雙向垂直分布 平面雙向垂直分布也稱平面正交分布。其纖維分布在x、y兩個方向上；z向是分層分布。例如平紋玻璃布、斜紋玻璃布、人字紋玻璃布層合制品或無捻粗格于布層合制品等。這種復合材料中玻璃纖維含量較高，一般為40％～65％(質量分數)。
(4)單向分布 復合材料中纖維均為單向平行分布。如拉擠法生產的桿、棒、管等制品以及平行絲片或單向布的層合制品等。這種制品纖維充填緊密，含量高，一般為60％～90％(質量分數)。在纖維排布方向上有大的強度。理論上，纖維可按六角形充填。圖12-13中三根纖維的中心連線三角形中纖維體積分數可達90.67％。
這4種纖維分布對復合材料制品的力學性能有不同的影響。表12-10為不同纖維增強聚酯的性能對比。
圖12-14、圖12-15為采用不同增強方式所得復合材料的拉伸強度、拉伸彈性模量與玻璃纖維含量之間的關系。
由圖12-14可見，在同樣玻璃纖維含量時，單向分布、雙向分布以及隨機分布所得的聚酯玻璃鋼，其拉伸強度與彈性模量依次降低。實際設計中常根據制品的使用條件與性能要求，結合上述4種方法來安排纖維的排布。例如在纏繞制品中采用不同的纏繞角變化以獲得各方向上的強度；在層合制品中采用粗格子布與短切纖維氈交替疊層以提高層間結合力，防止分層；或以大受力方向增加單向纖維布置以保證單向強度等。
7 溫度對復合材料性能的影響
由于樹脂的耐熱性較低，因而隨著使用環境溫度的上升，復合材料強度將下降。樹脂基體的耐熱性能一般決定了復合材料的耐熱性。圖12-16、圖12-17為短切玻璃纖維氈含量為30％(質量分數)與50％(質量分數)的聚酯復合材料之彎曲強度與溫度的關系曲線。圖12-18為不同玻璃纖維含量的復合材料與樹脂澆鑄體的扭曲模量隨溫度變化的曲線。
由圖12-17及圖12-18可見，由于加入玻璃纖維增強的結果，使復合材料的耐熱強度有了明顯的改善，隨著玻璃纖維含量的增大，耐熱性提高。樹脂本身的耐熱性高(如采用間苯型聚酯)時，復合材料耐熱性也相應提高。
