無堿玻璃纖維布（E-glass fabric）的表面處理技術，特別是浸潤劑的選擇與應用，是決定其最終在復合材料（如玻璃鋼/FRP）中性能表現的核心環節。浸潤劑直接決定了纖維與樹脂基體之間的界面結合質量，而界面結合質量又深刻影響著復合材料的力學性能（如層間剪切強度、拉伸強度、彎曲強度、沖擊韌性、疲勞性能）和耐久性（如耐水性、耐化學腐蝕性、耐老化性）。
以下詳細闡述無堿玻璃纖維布表面處理技術的關鍵點：浸潤劑選擇與界面結合原理：
一、 浸潤劑的作用與組成
浸潤劑是在玻璃纖維拉絲過程中，在纖維剛離開漏板還處于高溫、高表面能狀態時，立即涂覆在其表面的特殊涂層。其主要功能包括：
保護作用：- 潤滑保護： 防止纖維在拉絲、并股、紡織過程中因摩擦而損傷（原絲斷裂、表面劃傷）。
- 防靜電： 消除纖維在加工過程中因摩擦產生的靜電，防止纖維纏繞、分散不良。
- 集束性： 將數百根單絲集成一束（原絲），便于后續的紡織加工（加捻、合股、織造）。
加工性能控制：- 調節纖維或織物的硬挺度、柔軟度、懸垂性等，以適應不同的紡織工藝（如機織、針織、編織、非織造）。
界面結合橋梁作用 (核心作用)：- 這是浸潤劑在復合材料應用中最重要的功能。 浸潤劑中的關鍵組分（主要是偶聯劑）在纖維表面和樹脂基體之間構建起物理和化學的橋梁，極大地改善了兩者之間的相容性、浸潤性和粘結強度。
浸潤劑的主要組分
成膜劑：- 作用： 是浸潤劑的主體，形成連續的薄膜包裹在纖維束或單絲表面，提供主要的潤滑、集束、保護作用。影響織物的硬挺度、手感和加工性能。
- 類型：
- 淀粉類： 成本低，主要用于需要后續熱清洗去除的增強織物（如用于熱塑性塑料的短切原絲氈）。
- 環氧乳液： 與環氧樹脂相容性好，粘結力強，耐水性好，是環氧基復合材料常用成膜劑。
- 聚酯乳液： 與不飽和聚酯樹脂相容性好，應用廣泛。
- 聚氨酯乳液： 柔韌性好，耐磨性好，能提供較好的加工性能和界面韌性。
- PVAc（聚醋酸乙烯酯）： 成本較低，粘結力尚可，但耐水性較差。
- 丙烯酸酯乳液： 耐候性、耐水性較好，種類多，可調整性能范圍廣。
偶聯劑：- 作用： 浸潤劑的靈魂，是實現優異界面結合的關鍵。分子結構通常包含兩種不同的活性官能團：
- 一端（如硅烷基 -Si(OR)?） 能與玻璃纖維表面的硅羥基（Si-OH）發生化學反應（水解縮合），形成牢固的共價鍵（Si-O-Si）。
- 另一端（如氨基 -NH?, 環氧基, 甲基丙烯酰氧基, 巰基 -SH 等） 能與特定的樹脂基體（環氧、聚酯、聚氨酯、丙烯酸等）發生化學反應或強烈的物理作用（如氫鍵、范德華力）。
- 類型： 最常用的是硅烷偶聯劑。根據目標樹脂選擇不同的有機官能團：
- 氨基硅烷： 通用性強，特別適用于環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、尼龍等。能參與環氧固化反應。
- 環氧基硅烷： 適用于環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、丙烯酸樹脂等。能與環氧基團反應。
- 甲基丙烯酰氧基硅烷： 主要用于不飽和聚酯樹脂和丙烯酸酯樹脂，參與自由基聚合反應。
- 巰基硅烷： 主要用于環氧樹脂和一些橡膠體系。
潤滑劑：- 作用： 提供額外的潤滑性，減少加工磨損，改善織物手感。通常為陽離子或非離子表面活性劑、低分子量聚烯烴乳液、蠟乳液等。
抗靜電劑：- 作用： 有效消除加工過程中的靜電積累。常用季銨鹽類、磷酸酯類等表面活性劑。
其他添加劑：- 潤濕劑： 改善浸潤劑在纖維表面的鋪展和滲透（通常也是表面活性劑）。
- pH調節劑： 維持浸潤劑體系的穩定性（硅烷水解縮合對pH敏感）。
- 交聯劑： 有時用于提高成膜劑的耐水性和強度。
- 消泡劑： 防止生產過程中產生泡沫。
二、 浸潤劑的選擇
選擇合適的浸潤劑配方是一個復雜的系統工程，需要綜合考慮以下關鍵因素：
目標樹脂基體：- 這是首要考慮因素！ 浸潤劑（尤其是偶聯劑）必須與最終使用的樹脂化學相容并能有效作用。
- 環氧樹脂： 首選氨基硅烷或環氧基硅烷偶聯劑，成膜劑常用環氧乳液或聚氨酯乳液。
- 不飽和聚酯樹脂： 首選甲基丙烯酰氧基硅烷或氨基硅烷，成膜劑常用聚酯乳液或PVAc。
- 乙烯基酯樹脂： 與不飽和聚酯類似，常用甲基丙烯酰氧基硅烷。
- 聚氨酯樹脂： 首選氨基硅烷或環氧基硅烷，成膜劑常用聚氨酯乳液。
- 聚丙烯/尼龍等熱塑性塑料： 需要專門的浸潤劑（常含馬來酸酐接枝聚丙烯等相容劑），偶聯劑也需針對性選擇（如某些特殊硅烷或鈦酸酯）。
最終應用性能要求：- 力學性能： 對界面結合強度要求高的應用（如主承力結構件），需要選擇能形成強化學鍵合的偶聯劑和粘結力強的成膜劑。
- 耐環境性能： 對耐水性、耐濕熱老化、耐化學腐蝕要求高的應用（如船舶、化工設備），需要選擇耐水性好的成膜劑（環氧、聚氨酯）和能形成穩定化學鍵的偶聯劑，并優化配方減少水溶性物質。
- 韌性/抗沖擊性： 可能需要選擇能提供一定韌性的成膜劑（如聚氨酯）或調整配方增加界面韌性。
- 介電性能： 對電子電氣應用（如PCB基材），需嚴格控制浸潤劑的離子含量和吸水性，成膜劑和添加劑的選擇要滿足低介電常數和低損耗的要求。
加工工藝：- 預浸料工藝： 需要特定的浸潤劑（常稱為“直接無捻粗紗”或“DSI浸潤劑”），要求纖維束具有極佳的浸透性和樹脂相容性，成膜劑通常與樹脂體系高度匹配（如環氧基浸潤劑用于環氧預浸料）。
- 拉擠/纏繞工藝： 要求纖維束具有良好的集束性、耐磨性、與樹脂快速浸潤性。浸潤劑配方需兼顧保護性和反應性。
- 手糊/真空灌注： 對浸潤劑的要求相對寬泛一些，但織物需易于鋪覆、能被樹脂快速浸透。
- 模壓/SMC/BMC： 短切纖維需良好的流動性、分散性、與樹脂糊的相容性。浸潤劑需提供短切后的良好分散性和抗靜電性。
纖維織物形式：- 無捻粗紗布： 需要浸潤劑提供良好的集束性、硬挺度、耐磨性以承受織造張力。
- 方格布： 要求與無捻粗紗類似，但緯紗強度要求可能更高。
- 單向布： 對經紗保護要求極高，緯紗（捆綁紗）通常很細，浸潤劑需保證經紗在織造中幾乎不受損傷。
- 短切氈/連續氈： 浸潤劑需保證短切后原絲分散均勻，粘結劑（通常為粉末或乳液）與浸潤劑相容，并能快速溶解于樹脂。
成本： 在滿足性能要求的前提下，選擇性價比最優的配方。
三、 界面結合原理
浸潤劑（主要是偶聯劑）在玻璃纖維與樹脂之間建立牢固結合的機理是多種作用的綜合：
化學鍵合理論 (主導作用)：- 硅烷偶聯劑分子中的硅氧烷基（-SiOR）水解生成硅醇（-SiOH）。
- 硅醇與玻璃纖維表面的硅羥基（Si-OH）發生脫水縮合反應，形成穩定的硅氧烷鍵（-Si-O-Si-），使偶聯劑牢固地鍵合在纖維表面。
- 偶聯劑另一端的有機官能團（Y）與樹脂基體發生化學反應（如環氧基與胺類固化劑反應、氨基與環氧基反應、甲基丙烯酰氧基參與自由基聚合）或形成強烈的物理吸附/氫鍵作用。
- 這樣就在纖維和樹脂之間建立起了共價鍵橋梁，這是界面粘結強度最主要的來源，也是耐環境性能（尤其是耐水性）的保障。
物理吸附/分子間作用力：- 浸潤劑中的成膜劑和偶聯劑的有機部分與樹脂基體分子之間通過范德華力、氫鍵、偶極-偶極作用等產生物理吸附。這種作用雖然弱于化學鍵，但在界面結合中仍扮演重要角色，特別是在化學鍵合受限的區域。
機械互鎖作用：- 樹脂在固化過程中滲入纖維束內部以及單絲之間。
- 樹脂固化后，在微觀上“錨固”在纖維表面的微小凹凸（即使經過處理，表面仍非絕對光滑）和浸潤劑膜的結構中，形成物理的機械咬合。
- 這種作用對界面強度也有貢獻，尤其在界面存在物理缺陷時。
界面層理論/可變形層理論/拘束層理論：- 這些理論補充解釋了界面區域的結構和性能。浸潤劑膜在纖維和樹脂之間形成一個過渡層（界面層）。
- 這個過渡層的模量、韌性、熱膨脹系數、與兩側的相容性等，對界面應力傳遞、裂紋萌生與擴展、能量吸收（韌性）有重要影響。
- 一個好的浸潤劑能形成強韌且相容性好的界面層，既能有效傳遞載荷，又能吸收和消散能量，阻止裂紋沿界面快速擴展，從而提高復合材料的整體強度和韌性。
優異界面結合帶來的好處
- 高效的應力傳遞： 載荷能從相對低模量的樹脂有效傳遞到高模量、高強度的纖維上。
- 高力學性能： 顯著提高層間剪切強度（ILSS）、橫向拉伸強度、彎曲強度等。
- 良好的抗疲勞性能： 強界面能阻礙微裂紋在界面處萌生和擴展。
- 優異的耐環境性能： 強化學鍵合能抵抗水分子、化學介質的侵蝕，防止界面水解破壞，保持長期性能穩定。
- 阻止裂紋擴展： 強韌界面能迫使裂紋轉向或吸收能量，提高材料的損傷容限和韌性。
總結
無堿玻璃纖維布的表面處理技術，核心在于浸潤劑的配方設計與精確應用。浸潤劑不僅保護纖維、賦予加工性能，其核心價值在于通過偶聯劑在玻璃纖維與樹脂基體之間構建起強韌的化學鍵合橋梁，并結合物理吸附和機械互鎖作用，實現卓越的界面結合。選擇合適的浸潤劑需要深刻理解目標樹脂的化學特性、復合材料的性能要求、加工工藝特點以及纖維織物的形式。優化界面結合是提升玻璃纖維復合材料綜合性能（強度、剛度、韌性、耐久性）的關鍵所在。
