探究浸潤劑對無堿玻璃纖維性能的影響及解決對策

＊李娜 武廣函 劉婷

（山東玻纖集團股份有限公司 山東 276400）

無堿玻璃纖維因其優異的物理和化學性能，在多個工業領域扮演著關鍵角色。浸潤劑作為提升這些纖維性能的重要工具之一，主要包括硅烷偶聯劑、脂肪酸及其衍生物，以及聚合物乳液等。硅烷偶聯劑增強纖維與樹脂基體的黏合力，脂肪酸及衍生物改善纖維的分散性和防水性，聚合物乳液則提升纖維的柔韌性和耐磨性。本文深入探討了這些浸潤劑的物理強度改善、化學穩定性增強和熱穩定性提升等方面的影響，為實際應用中的選擇和使用提供了指導。此外，還考察了配方優化和生產工藝調整策略，以提高無堿玻璃纖維的綜合性能，并關注環境影響，旨在支持可持續發展。

1.浸潤劑對無堿玻璃纖維性能的影響

（1）物理性能的改變。在研究浸潤劑對無堿玻璃纖維物理性能的影響中主要關注拉伸強度、彎曲模量和斷裂伸長率這些關鍵參數。具體來說，硅烷類浸潤劑，如甲基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷，已被證實能夠顯著提高纖維的拉伸強度（增加約10%至15%）和斷裂伸長率（增加約5%），這種增強效果主要歸因于硅烷浸潤劑在纖維表面形成的交聯網絡，從而加強了纖維與樹脂的界面結合。在彎曲模量的提升方面，含氨基的浸潤劑，如氨基丙基三乙氧基硅烷或含表面活性劑的浸潤劑，如十二烷基苯磺酸鈉，能有效提升纖維的彎曲模量，有實驗數據顯示提升幅度可達20%，這是因為這些浸潤劑能改善纖維的排列和取向，從而增強纖維的整體結構完整性。此外，在浸潤劑的熱穩定性方面，例如，使用苯乙烯基三氯硅烷等高熱穩定性浸潤劑時，由于其熱分解溫度高于250 ℃，可以顯著降低高溫環境下纖維性能的衰減速度[1]。

（2）化學性質的調整。浸潤劑對無堿玻璃纖維化學性質的調整主要體現在提高耐腐蝕性、增強化學穩定性及改善界面活性方面。例如使用含氟硅烷浸潤劑，如三氟丙基三甲氧基硅烷，可以顯著提升纖維的耐酸堿性。在pH 值為2～12 的腐蝕性環境中，經TFPMS 處理的纖維顯示出比未處理纖維高出約30%的耐腐蝕性能。此外，具有較強極性的浸潤劑，如烷基磷酸酯可以顯著改善纖維與樹脂的黏合強度。相關研究表明，使用這類極性浸潤劑處理的纖維，在與環氧樹脂的界面剪切強度上可實現約20%的提高，這是因為這些浸潤劑在纖維表面形成化學鍵，增強了纖維與樹脂間的相容性。另外，浸潤劑的分子結構和分子量對其化學性質的影響也不容忽視。例如，高分子量的聚合物類浸潤劑，如聚乙二醇和聚丙烯酸酯通常能在纖維表面形成更穩定的化學結構，從而提高纖維的整體化學穩定性和耐久性。

（3）熱穩定性的影響。浸潤劑對無堿玻璃纖維的熱穩定性具有顯著影響，尤其在使用溫度范圍、熱膨脹系數和熱老化性能方面。例如，使用含硅烷基團的浸潤劑，如甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS），處理過的無堿玻璃纖維在高達300 ℃的溫度下，其力學性能的損失相比未處理纖維低約20%，這種優異的熱穩定性歸因于硅烷基團在高溫下能形成穩定的硅氧網絡，有效地抵抗熱分解。同時，含氟硅烷化合物，如三氟丙基三甲氧基硅烷（TFPMS），作為浸潤劑時，由于其較低的熱膨脹系數，能減少纖維在高溫下的尺寸變化，保持結構穩定性。在熱老化性能的評估中，進行了長時間的熱循環測試，顯示出使用這些浸潤劑處理的無堿玻璃纖維具有更好的抗熱老化能力，例如，連續暴露于200 ℃條件下48h 后，使用含硅烷或含氟硅烷浸潤劑處理的纖維，其保持的力學性能比未經處理的纖維高出約15%。

2.浸潤劑的分類與選擇標準

（1）不同類型浸潤劑的比較。在無堿玻璃纖維的生產中，不同類型的浸潤劑對纖維性能的影響各異，主要類型包括硅烷類、聚酯類和環氧類浸潤劑。硅烷類浸潤劑因其優異的界面黏合特性而被廣泛使用，例如使用含氨基硅烷的無堿玻璃纖維，在界面黏結強度上相比未處理纖維提高約25%，主要歸因于其與纖維表面的化學反應形成強黏合。聚酯類浸潤劑則因其良好的柔韌性和耐化學性而受到青睞，實驗數據表明使用聚酯類浸潤劑處理的纖維，在經歷酸堿循環測試后，其抗拉強度損失低于10%，顯著優于其他類型浸潤劑。環氧類浸潤劑則以其出色的熱穩定性和機械強度著稱，在高溫下長期使用的無堿玻璃纖維，若采用環氧類浸潤劑，其熱老化后的強度保持率可達80%以上，遠高于未經處理的纖維[2]。

（2）選擇浸潤劑的關鍵因素。選擇適合的浸潤劑時，需考慮多個關鍵因素，包括浸潤劑的化學穩定性、環境適應性及與無堿玻璃纖維的相容性。化學穩定性是評價浸潤劑性能的首要標準，硅烷類浸潤劑在室溫至中溫范圍內表現出良好的穩定性，適用于一般工業環境。環境適應性涉及浸潤劑在不同條件下的性能表現，如高溫、高濕或化學腐蝕環境。例如，含氟硅烷浸潤劑因其優異的耐化學腐蝕性和耐高溫性，在特殊環境下的應用更為廣泛。此外，浸潤劑與無堿玻璃纖維的相容性也至關重要，浸潤劑的分子結構和官能團應與纖維表面能夠形成有效的化學鍵合，以提高其整體性能。例如，含有活性基團的浸潤劑能更好地與纖維表面發生反應，提高界面的黏結強度。

3.浸潤劑使用的優化策略

（1）配方優化。配方優化是提升無堿玻璃纖維性能的一個關鍵環節，其中浸潤劑的精確配比和類型選擇對最終的性能有著直接且顯著的影響。研究表明，通過調整浸潤劑中的活性成分，特別是硅烷基團的比例可以有效改善纖維的物理和化學性能。在硅烷類浸潤劑，如甲基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷中，將活性硅烷基團的含量從5%提升到10%，結果表明，這種調整可以使纖維的拉伸強度提高約18%，斷裂伸長率提升5%。此外，通過在浸潤劑中添加特定的促進劑或穩定劑，如0.5%的酸性催化劑可以加速浸潤劑與纖維表面的反應，從而增強纖維與樹脂之間的界面黏結強度。在進行配方優化過程中還需要考慮浸潤劑的環境適應性和長期穩定性，例如，經過長期老化試驗的結果顯示，優化后的配方能夠顯著降低纖維在高溫和高濕環境下的性能退化速度，達到20%的減緩效果。

（2）生產工藝調整。在無堿玻璃纖維的生產過程中，工藝調整對纖維的質量和性能至關重要，尤其是在浸潤劑的施加和纖維的固化處理方面，通過調整浸潤劑的施加溫度和時間，比如，將含硅烷類浸潤劑（如甲基三甲氧基硅烷MTMS 或乙烯基三乙氧基硅烷VTES）的施加溫度從室溫提升至60 ℃，并將浸涂時間延長至10 min，可以使纖維表面的涂層更均勻，從而提升纖維性能。在固化過程中溫度和時間的精確控制對于纖維性能穩定性至關重要。在65 ℃下固化4 h 的含氟硅烷處理過的無堿玻璃纖維，其長期使用中的強度保持率可提升至90%以上，這歸功于適宜的固化條件幫助形成均勻且穩定的化學鍵。此外，通過優化纖維的拉伸速度和冷卻過程，可以改善纖維的微觀結構和力學性能[3]。

（3）性能測試與分析。無堿玻璃纖維的性能測試與分析的方法主要包括拉伸試驗、彎曲試驗和熱分析。拉伸試驗重點測定纖維的最大拉伸強度和斷裂伸長率，發現經過配方優化處理的纖維，例如，使用硅烷類浸潤劑如甲基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷的平均拉伸強度可達3500 MPa，比未處理纖維提高約15%。彎曲試驗用于評估纖維的抗彎曲性能，彎曲強度的提升反映了浸潤劑的有效性。在熱分析方面，使用熱重分析和差示掃描量熱法來評估纖維的熱穩定性。TGA測試顯示，優化處理的纖維具有更高的熱分解溫度，通常在300 ℃以上，表明其良好的熱穩定性。DSC 分析提供了關于浸潤劑固化反應和轉變溫度的重要信息。此外，微觀結構分析技術如掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡也被用于觀察纖維表面的涂覆均勻性和微觀結構，這些綜合的性能測試與分析方法不僅準確評估了浸潤劑對無堿玻璃纖維性能的影響，而且為進一步的材料優化提供了科學依據。

（4）環境影響評估。環境影響評估目的是最大限度地減少生產過程和最終產品對環境的影響，評估內容主要涵蓋浸潤劑的生態毒性、生物降解性及排放情況。對于含有硅烷類浸潤劑，如甲基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷的生態毒性進行評估，確保這些化學物質在生產和使用過程中不會對水體和土壤造成污染。生物降解性測試通常遵循OECD301 系列標準方法，用以評估浸潤劑在自然環境中的分解速率。對于包含特殊化學物質的浸潤劑，例如含氟硅烷類化合物，還需進行特定的排放測試，以評估其在生產過程中對揮發性有機化合物（VOC）的排放量。此外，生命周期評估方法也被廣泛應用于全面評價無堿玻璃纖維及其浸潤劑在整個生命周期內的環境影響，包括從原材料采購、生產、使用到廢棄階段的環境影響[4]。

4.案例研究與實驗驗證

（1）實驗設計與方法。實驗設計旨在全面評估不同類型浸潤劑對無堿玻璃纖維性能的影響。實驗首先涉及篩選三種主要類型的浸潤劑：硅烷類、聚酯類和環氧類浸潤劑。①硅烷類浸潤劑：選用的具體品種包括甲基三甲氧基硅烷（MTMS）、乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）和甲基三氯硅烷（MTCS）。這些硅烷浸潤劑因其能夠在纖維表面形成交聯網絡而被選用。②聚酯類浸潤劑：包括聚乙二醇（PEG）和聚丁二酸乙二醇酯（PBAT），這些聚酯類浸潤劑主要用于改善纖維的柔韌性和耐磨性。③環氧類浸潤劑：選用環氧樹脂和雙酚A 型環氧樹脂（DGEBA）。這類浸潤劑主要用于增強纖維與樹脂基材的黏合性，每種浸潤劑均以不同質量分數（5%、10%和15%）處理無堿玻璃纖維樣本,隨后進行的物理性能測試包括采用標準ASTM D2343 方法測量拉伸強度、彎曲強度和斷裂伸長率。

（2）實驗結果分析與討論。實驗結果顯示，浸潤劑的種類和含量對無堿玻璃纖維的性能有顯著影響。在使用質量分數為10%的硅烷類浸潤劑處理的纖維中，平均拉伸強度提高了20%，斷裂伸長率增加了約7%。此外，這些纖維在彎曲測試中展示了比未處理纖維高出30%的彎曲強度。TGA 和DSC 分析結果表明，經過硅烷類浸潤劑處理的纖維在300 ℃的高溫下具有更好的熱穩定性，熱分解溫度比未處理纖維高出大約50 ℃。SEM 分析揭示了浸潤劑處理改善了纖維表面的微觀結構，使得纖維表面更加光滑且均勻。這些實驗結果表明，通過優化浸潤劑的種類和濃度，可以顯著提升無堿玻璃纖維的機械性能和熱穩定性。這一發現對于工業應用中無堿玻璃纖維的性能優化具有重要意義，為未來的研究和應用提供寶貴的數據和見解[5]。表1 展示了在不同浸潤劑類型和濃度下，無堿玻璃纖維的拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度以及熱分解溫度的變化。

表1 不同浸潤劑處理條件下無堿玻璃纖維的關鍵性能指標

5.結論

本研究通過綜合分析不同浸潤劑對無堿玻璃纖維性能的影響，揭示了顯著的性能提升。結果表明，通過選用合適的浸潤劑并優化其濃度，無堿玻璃纖維的拉伸強度、斷裂伸長率和彎曲強度均可得到顯著提高，尤其是硅烷類浸潤劑，在質量分數為10%時對纖維性能的提升最為顯著。此外，浸潤劑的種類和配比對纖維的熱穩定性也有重要影響，硅烷類浸潤劑處理的纖維展現出更高的熱分解溫度和更好的熱穩定性，這些發現不僅為無堿玻璃纖維的性能優化提供了重要的指導，也對纖維的工業應用和進一步的研究具有重要意義。