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| 石英纤维的表面处理方法 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2013-08-26 09:02:36 浏览次数： |
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石英纤维是将高纯石英高温熔化后拉制成丝的，是一种SiO2含量高（>99.95%）的无机高性能纤维，具有耐高温绝缘、耐烧蚀、耐腐蚀、隔热透波、优良的介电性能，广泛应用于航空、航天、军事、医学等高端领域，例如导弹天线罩、发动机套管、隔热层、生物导管等。
石英纤维
因此在使用石英纤维之前，需对其进行表面处理，改善纤维和基体的界面结合性能，从而提高产物的性能。目前纤维常用的表面处理方法有：热处理法、溶剂浸泡法、酸碱刻蚀处理、偶联剂处理、涂层处理等。
1、热处理法
热处理就是利用高温使纤维表面的原有有机浸润剂氧化分解,同时除去纤维由于储存而吸附的水。热处理法工艺简单,实用性强,只是该法单独使用的效果欠佳,一般都作为纤维表面处理的预处理工序,与其它表面处理方法配合使用。
国防科技大学陈帮等采用热处理和丙酮浸泡的手段对去除浸润剂进行研究，结果表明,高温热处理能比较完全去除石英纤维的表面浸润剂, 丙酮浸泡的效果并不理想，石英纤维经过处理之后其拉伸强度都明显的降低,尤其是经过高温处理之后强度降低幅度比较大,其强度对处理温度比较敏感。
西安航天复合材料研究所廉云清等采用两种方法去除石英纤维表面的浸润剂，一种是热处理，另一种是有机溶剂与热处理相结合。比较石英纤维处理前后失重变化，通过 SEM、XPS 表面形貌和成分变化，得出石英纤维的表面处理，有机溶剂浸泡与高温处理相结合优于单纯的高温处理。采用不同的升温速率对石英纤维进行热处理，结果表明: 升温速率越低，石英纤维的机械强度损失越大。
2、溶剂浸泡法
溶剂浸泡法根据相似相容原则，选择与纤维表面有机浸润剂相容性较好的有机溶剂，对其进行浸泡处理，以去除纤维表面的杂质，从而改善纤维表面性能。
北京化工大学张晓洁等研究了有机硅树脂/石英纤维复合材料的拉伸性能、耐高温性能和介电性能。采用热处理法和溶剂浸泡法配合使用对石英纤维进行表面处理，先用甲苯浸泡，继而350℃高温加热400s可在获得较好纤维强度的前提下除去浸润剂。研究结果表明，复合材料经热处理后仍能保持很好的力学强度和介电性能，550℃处理后，拉伸强度达到了360MPa以上，介电常数仍在3.30以下，满足导弹天线罩用复合材要求。
山东工业陶瓷研究设计院董波等通过溶剂处理及其与热处理相结合的方法去除石英玻璃纤维表面的浸润剂,对石英纤维表面处理前后的状态变化及其拉伸性能进行了研究,结果表明:单独采用溶剂处理纤维编织体的失重为0.77%,经高温处理后纤维略带黄色,拉伸强度下降明显,逐步趋向变脆并粉化,在复合材料中失去了增强的效果,而采用溶剂+热处理工艺处理后纤维的失重为1.64%,热处理后纤维呈亮白色,不仅可较完全的去除浸润剂,而且还可以使石英纤维本身强度受损较少,可起到增强复合材料的效果。
3、酸碱刻蚀处理
刻蚀是通过酸碱在纤维表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔(用碱刻蚀时,利用碱与SiO2生成可溶的硅酸盐;用酸刻蚀时,利用酸与纤维表面的碱金属的氧化物Al2O3、MgO、Na2O等反应生成可溶的碱金属盐,在纤维表面形成大量的Si-OH键),待纤维与基体进行复合时,一些高聚物的链段进入到空穴中,起到类似锚固作用,增加了纤维与聚合物界面之间的结合力,同时在增加纤维表面反应性硅烷醇的数量。其最终处理效果主要与酸碱种类、浓度、处理时间和处理温度有关。
华东理工大学周燕等分别采用热处理法、溶剂浸泡法（丙酮）、酸碱刻蚀处理法（硫酸酸洗）三种处理方法对石英纤维进行表面处理，通过三种处理方法的比较，较优的处理方法为30%硫酸洗涤。
4、偶联剂处理
偶联剂的结构通式可表示为:(RO)x-M-Ay,其中RO代表亲无机基团的易水解或交换反应的短链烷氧基,可与纤维表面发生化学反应;M代表中心原子(Si、Ti、Al、B等);A代表与中心原子结合稳定的亲有机基团的长链分子(酯酰基、长链烷基等),它能扩散和溶解于聚合物的界面区,与聚合物链发生缠结和反应并与基体有很好的相容性。从其结构看,偶联剂具有在纤维表面与树脂之间形成化学键的功能,在树脂基复合材料中起架桥作用,用偶联剂处理表面能够改善纤维与基体之间的润湿性,形成一个力学上的微缓冲区,提高了界面之间的粘结力,能显著提高复合材料的综合性能,并可延长复合材料的使用寿命,降低纤维自身的吸水性。偶联剂的种类很多,不同的偶联剂对复合材料力学性能有不同的影响,增强纤维表面处理中研究最多的偶联剂是硅烷偶联剂。
黑龙江省石油化学研究院王勃等采用笼型低聚倍半硅氧烷（POSS）和氧化锇改性酚醛树脂作为处理剂，对石英纤维进行表面处理，制备出石英纤维增强芳基乙炔复合材料（SF/PAA），结果表明，处理后的石英纤维表面极性显著增强，同时高温下还具有消泡作用，纤维端头有明显的剪切痕迹，复合材料界面粘结性能得到显著改善，复合材料的力学性能和介电性能提高。
哈尔滨工业大学杨燕采用有机硅烷偶联剂KH560和KH550对石英纤维进行表面处理，研究结果表明：酸刻蚀-KH550能够有效地去除原始纤维表面的Si-OH和浸润剂，同时保持纤维本身的SiO2结构。纤维对偶联剂KH550为化学吸附方式，而KH560为物理吸附，所以作用效果不如KH550。石英纤维经过两种偶联剂处理之后，复合材料的弯曲强度较之前都有了明显的提高，其中偶联剂KH550的使用效果要优于KH560，复合材料的室温强度（119.1MPa）能够比用KH560的复合材料（104.2MPa）高出 14.3%，300℃时能达到后者的两倍。
5、涂层处理
一般采用溶胶-凝胶等技术将Al2O3、BN等涂覆到纤维表面形成膜状或晶须，改善其与基体的界面结合的表面处理方法。
哈尔滨工业大学王磊等采用溶胶-凝胶法在石英纤维的表面涂敷Al2O3涂层,用AFM对涂敷后纤维的表面形貌进行了研究,并通过束丝拉伸强度的测试优化了Al2O3涂层热处理工艺条件,着重分析了Al2O3涂层对石英纤维增强甲基硅树脂复合材料界面性能的影响。结果表明, Al2O3涂层在500℃下可有效隔绝石英纤维与树脂基体之间的反应,改善复合材料的界面强度,提高复合材料的层间剪切性能。经400、600℃热处理后的Al2O3涂敷石英纤维增强复合材料的层间剪切强度分别为8.2、5.4MPa,分别是未涂敷复合材料的3.4倍和2.3倍。
华东理工大学周燕等先用30%硫酸对石英纤维表面进行酸洗处理后，通过溶胶-凝胶技术制备Al2O3涂层石英纤维，实验结果表明，Al2O3涂层提高了石英纤维的强度和热稳定性,其优化涂膜量为4.6%,最佳热处理条件为250℃/10min,Al2O3涂层石英纤维增强磷酸盐基复合材料的常温机械性能优良,其高温处理后的机械稳定性优于未涂层纤维增强的复合材料。
北京航空航天大学王海丽等以硼酸和尿素为氮化硼源,氮气气氛下,采用溶液浸涂法在石英纤维表面低温制备了氮化硼涂层。结果表明:硼酸和尿素在氮气气氛下于850℃反应5h,得到的BN涂层为鹅卵石状,产物中含有纳米尺寸的t-BN和无定型BN两种不同形态;纤维表面涂层质量随浸渍次数变化,浸涂一次的纤维表面涂层不连续,存在大量孔洞;浸涂三次的纤维表面光洁,涂层均匀,且无剥落或开裂现象;浸涂大于三次,纤维表面出现大量聚集颗粒,表面不光滑,但亦无剥落或开裂现象。
随着石英纤维增强树脂基复合材料在许多重要领域应用的增加,必然对石英纤维增强树脂基复合材料的综合力学性能提出更高的要求。因此,对石英纤维进行表面处理,改善石英纤维与树脂基体的界面性能,提高界面质量和复合材料的综合性能,必将得到更多的重视。 |
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