玻璃纤维增强聚酯的特性
玻璃纤维增强聚酯的特性
玻璃钢具有质轻、高强、耐腐蚀、电绝缘、透微波等许多优良性能，它可以长期承受负荷，在许多场合可以与普通的结构材料(如钢、铝、木、混凝土等)竞争。通过以上增强机理的分析可知，这种复合材料在性能上还具有一些重要的特点，以下分别就其力学性能、热性能、耐化学性与耐久性等方面进行讨论。
1 力学性能
(1)强度值的离散性 玻璃纤维增强聚酯的实测强度值有较大的分散性。在模压成型制品中强度波动可达12％～15％(钢材为4％～10％)，在接触成型制品中分散性更大些。玻璃钢强度的分散性源于结构的复杂性，各组分本身及相关的变异因素的叠加及相互影响较多。例如玻璃纤维直径标定为11μm，实际可波动于8～14μm；合股纱号数波动又可能有±(5～7)％；树脂虽属合格产品，但不同工厂的产品、同一工厂不同批次产品的工艺性往往不同或有波动；复合加工过程中又有不少可变因素，如纤维张力不匀，引发剂、促进剂用量不准，固化条件变化，施工操作技能的差异等均影响复合材料微观结构中产生各种缺陷，从而使玻璃锕的终强度产生较大的离散性。
(2)脆性 玻璃钢的应变与断裂特性与钢、铝等材料不同。后者是延展性的，而玻璃钢基本是脆性的。钢材的断裂伸长大于18％，而玻璃钢只有2％左右，而且在变形0.4％～1.5％时即发生基体的永久性破坏，已不是完整的、可承受负载的材料了。
(3)各向异性 各向异性是玻璃钢的重要特性。由于纤维只能承担经向负荷，其拉伸强度极高；而在纤维垂直方向上则基本上不能承受负荷。于是产生了复合材料的各向异性。这是分析与设计制品时应注意的关键问题之一。
(4)相对的低弹性模量 玻璃钢比强度很高，可达2×106cm以上，高于钢材．因而可称为轻质高强；但其弹性模量较低，纤维含量高达80％的单向玻璃钢的纵向拉伸弹性模量(50GPa)约为普通钢材的1／4左右，为铝材的70％左右。剪切弹性模量更低些，玻璃钢的剪切弹性模量只有纵向弹性模量的10％～20％。
(5)层间剪切强度与拉伸强度低 如是层合而成的玻璃钢，由于各层之间缺少或没有玻璃纤维的连接，因而层间拉伸强度与剪切强度接近于树脂基体的强度。这是层合玻璃钢的弱点，在受力下容易发生分层损坏。在不同部件的连接上也产生些困难。
(6)蠕变性 在室温下玻璃钢就存在着蠕变现象，其断裂强度随时间的延长而下降，变形逐渐发展。其原因是树脂基体在长期荷载下具有高弹性变形的松弛特性，而玻璃纤维往往张力不匀，受拉伸后，丝束中受力大而纤维偏细或有微裂纹处先断裂，负荷即依次转移，使蠕变发展。图12-3为应力σ=420N／mm2时无碱玻璃纤维的应变与时间曲线，可见相对断裂伸长在7天后即稳定在1.1％左右。
图12-4与图12-5为两种不同玻璃钢在不同负载下的应变与时间关系曲线。图12-4玻璃钢材料中玻璃纤维毡含量33％(质量分数)，拉伸模量E0=10.8GPa，温度23℃。图12-5玻璃钢材料中玻璃纤维毡含量31％(质量分数)，E0=6.2GPa，温度40℃。
由以上曲线相对比，可见玻璃纤维含量增多时蠕变减小，温度升高则蠕变增大。
2 热性能
不饱和聚酯树脂固化后具有较高的热膨胀系数和较低的热导率。在实际应用中热膨胀系数高往往有害。加入玻璃纤维后可使热膨胀系数下降到普通金属水平。玻璃纤维增强聚酯的隔热性能优于金属，与木材相当，表12-5为常用材料的热性能对比。
由于玻璃纤维的耐热性优于树脂，故不饱和聚酯采用玻璃纤维增强以后，热变形温度约升高20℃左右。热变形温度代表材料失去硬挺度的温度界限。在外加负荷下，达到该温度时，材料将发生显著的蠕变，因而在设计工作中必须考虑这一点。英国标准B.S.4994规定，玻璃钢材料的使用温度上限为热变形温度以下20℃。
3 耐化学性
必须看到聚酯树脂用玻璃纤维增强以后，其耐化学性除本书前面所介绍的以外，还取决于其他一些因素。
(1)复合材料结构的合理性 不饱和聚酯用玻璃纤维增强的方式有多种。玻璃纤维可有短切纤维毡(纤维长度50mm左右)、连续纱、粗格子布、短切散丝等。树脂固化过程中的收缩使纤维与树脂基体间很容易产生细微的间隙，这种间隙提供了化学介质由毛细管作用侵入基体内部的途径。如采用短切纤维时，介质可以侵入纤维全长。如采用连续纤维时，介质也可以侵入纤维与树脂界面，直至间断点。介质侵人的结果使树脂与玻璃纤维加速腐蚀，界面扩大，复合材料发生肿胀、开裂、分层，强度下降，逐渐失去使用性能。
为了防止这一界面侵蚀现象，十分重要的是选用适当的偶联剂对玻璃纤维进行良好的表面处理，使纤维表面与树脂紧密结合。但仅此还不足以充分保护纤维与树脂界面不被介质侵入。还必须在复合材料与化学介质接触的表面上采用一层由玻璃纤维或其他纤维(如聚酯纤维)薄毡增强的耐化学的胶衣树脂层，防止任何玻璃纤维暴露于复合材料表面，堵住介质的侵入点。
(2)树脂的固化程度 选用合适的耐化学聚酯树脂以后，必须使树脂达到充分固化。一般热固化比室温固化效果好。测定表面硬度是简单的评价固化程度的方法。树脂的热变形温度也能反映树脂的固化反廊进行的程度。表12-6为室温固化时间对树脂固化反应进行程度的影响。
采用后固化可以显著改善聚酯树脂固化后的性能，表12-7为后固化对典型聚酯树脂热变形温度的影响。
固化程度也影响胶衣树脂的柔软性。随着固化程度的进展，胶衣的柔软性下降．故胶衣的固化要适当，不可发生脆化现象。
(3)玻璃纤维的成分 增强用玻璃纤维主要选用3种玻璃类型，它们的耐化学性有差异。
无碱玻璃属于硼硅酸盐玻璃．具有优良的耐术性，不受大多数化学介质侵蚀。但无碱玻璃不耐强酸侵蚀，强酸会将硼硅酸盐分解，使玻璃结构遭到破坏。故在水或水蒸气环境以及碱性与弱酸性介质中，聚酯树脂可使用无碱玻璃纤维增强。
含碱A玻璃组分中碱性氧化物含量达10％～15％(质量分数)，其耐水性差，但耐强酸比无碱玻璃好。故使用于高浓度酸性介质的使用条件。
表面薄毡采用C玻璃制造，其组分与A玻璃相近，用作耐化学的表面增强。但在强酸、氢氟酸或酰基氟介质条件下就要考虑用非玻璃质的纤维增强表面层树脂。例如采用聚酯纤维或聚丙烯纤维所制成的薄毡等。
4 耐久性
耐久性指的是材料在给定的使用条件下能承担其指定性能任务的有效期限。超过此期限时，材料所发生的内在的或外观的变化就使其不能继续满足使用要求。由于使用性能要求的多样性，故耐久性标准也要视具体条件而定。
从力学性能讲，随着使用时间的延长，聚酯复合材料的强度会下降。不同的复合结构在不同环境与介质条件下，其下降程度不同，以下举例说明。
①玻璃纤维的耐久性能是良好的，在开始受负荷时强度下降，但长期强度稳定。图12-6为玻璃纤维强度耐久性曲线。
②玻璃纤维含量不同时，复合材料强度的耐久性不同。一般玻璃纤维含量高时，起始强度高，强度的耐久性也高，但在负荷开始一段时间内下降幅度大些。图12-7为玻璃纤维毡含量由27％增加到38％时耐久强度的变化曲线。
③不同的聚酯树脂，采用不同的增强材料，在不同使用条件下耐久性也各不相同，要按具体条件分别进行测定和分析。
表12-8为一些不同复合材料在不同条件下的弯曲强度及弯曲模量的变化情形。
5 玻璃纤维含量对复合材料性能的影响
玻璃纤维承担了复合材料的强度。复合材料中随着玻璃纤维含量的提高，强度也上升。如采用3种树脂(见表12-9)，用不同的纤维材料增强，可得各项强度值随玻璃纤维含量增加而上升。
图12-8～图12-11为用短玻璃纤维毡增强表12-9中3种聚酯树脂，随玻璃纤维体积含量的增加，复合材料的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度以及拉伸弹性模量上升的情况。4个图中的竖虚线为玻璃钢制造中的适用范围。
但玻璃纤维含量的提高有一定限度。玻璃纤维含量过多时，树脂含量不足，浸渍不足，复合材料中夹有气泡，树脂收缩又造成分层．结果成为劣质产品或废品。在模压成型中，树脂含量不足还可能造成交叉点玻璃纤维受压断裂，使制品强度下降。图12-12为聚酯树脂与玻璃纤维无捻纱、玻璃纤维短切毡以及亚麻复合材料的强度变化曲线。实际上，采用单向玻璃纤维无捻纱增强时，玻璃含量大，可达85％(质量分数)左右；用玻璃布作层合板，玻璃含量多可达75％(质量分数)左右；用短切纤维毡增强时，玻璃含量高可达55％(质量分数)左右。
6 玻璃纤维分布对复合材料性能的影响
玻璃纤维在复合材料中的分布对制品的力学性能影响很大。这种分布是可设计的，其典型情况有以下4种。
(1)各向同性分布 其纤维分布是无方向性的，在三维空间随机分布。团状模塑料制品即属于这一类，其纤维短，纤维含量低，一般不超过30％(质量分数)，甚至只有10％(质量分数)。
(2)平面各向同性分布 其纤维在x、y两向平面内随机分布，表现为各向同性；在z向是分层分布。短切纤维毡与连续纤维毡的层合制品即属这一类，其纤维含量不高，一般为25％～35％(质量分数)，大只能达到50％(质量分数)。
(3)平面双向垂直分布 平面双向垂直分布也称平面正交分布。其纤维分布在x、y两个方向上；z向是分层分布。例如平纹玻璃布、斜纹玻璃布、人字纹玻璃布层合制品或无捻粗格于布层合制品等。这种复合材料中玻璃纤维含量较高，一般为40％～65％(质量分数)。
(4)单向分布 复合材料中纤维均为单向平行分布。如拉挤法生产的杆、棒、管等制品以及平行丝片或单向布的层合制品等。这种制品纤维充填紧密，含量高，一般为60％～90％(质量分数)。在纤维排布方向上有大的强度。理论上，纤维可按六角形充填。图12-13中三根纤维的中心连线三角形中纤维体积分数可达90.67％。
这4种纤维分布对复合材料制品的力学性能有不同的影响。表12-10为不同纤维增强聚酯的性能对比。
图12-14、图12-15为采用不同增强方式所得复合材料的拉伸强度、拉伸弹性模量与玻璃纤维含量之间的关系。
由图12-14可见，在同样玻璃纤维含量时，单向分布、双向分布以及随机分布所得的聚酯玻璃钢，其拉伸强度与弹性模量依次降低。实际设计中常根据制品的使用条件与性能要求，结合上述4种方法来安排纤维的排布。例如在缠绕制品中采用不同的缠绕角变化以获得各方向上的强度；在层合制品中采用粗格子布与短切纤维毡交替叠层以提高层间结合力，防止分层；或以大受力方向增加单向纤维布置以保证单向强度等。
7 温度对复合材料性能的影响
由于树脂的耐热性较低，因而随着使用环境温度的上升，复合材料强度将下降。树脂基体的耐热性能一般决定了复合材料的耐热性。图12-16、图12-17为短切玻璃纤维毡含量为30％(质量分数)与50％(质量分数)的聚酯复合材料之弯曲强度与温度的关系曲线。图12-18为不同玻璃纤维含量的复合材料与树脂浇铸体的扭曲模量随温度变化的曲线。
由图12-17及图12-18可见，由于加入玻璃纤维增强的结果，使复合材料的耐热强度有了明显的改善，随著玻璃纤维含量的增大，耐热性提高。树脂本身的耐热性高(如采用间苯型聚酯)时，复合材料耐热性也相应提高。
