表1  不同直徑的纖維強(qiáng)度

    
    由于纖維的內(nèi)部和外部均存在微裂紋，纖維越粗，表面積越大，出現(xiàn)裂紋的幾率越大。當(dāng)施加外力時，最薄弱區(qū)裂紋迅速擴(kuò)展直至纖維斷裂，纖維直徑粗表面積大就大大增加了纖維斷裂的可能性，因此纖維直徑越細(xì)纖維的強(qiáng)度越高。

玻璃微裂紋的產(chǎn)生原因，最重要條件是玻璃中存在缺陷，主要是結(jié)構(gòu)不均一性。玻璃中存在著有序區(qū)、微晶子、化合物、近程有序的集合體等等都構(gòu)成了玻璃的不均一性，玻璃中存在著弱鍵，構(gòu)成了產(chǎn)生大小不同的微裂紋的有利條件。當(dāng)施加外力時，微不均勻處及薄弱區(qū)首先破裂，便形成了裂紋的胚胎。

玻璃液中的缺陷又增大了玻璃的不均一性，因而導(dǎo)致纖維的強(qiáng)度大大降低。拉絲作業(yè)中不可避免地要形成表面裂紋，因為絲根冷卻是一個漸變過程。在拉絲力作用下，每根纖維都受到一定的應(yīng)力，這種應(yīng)力作用于先硬化的纖維外殼時就產(chǎn)生表面裂紋。

2.2 玻璃纖維直徑對聚酯棒彎曲強(qiáng)度的影響

聚酯棒彎曲強(qiáng)度試驗結(jié)果見表2及圖2(略)。

2.2.1 影響聚酯棒彎曲強(qiáng)度的主要因素

2.2.1.1 從化學(xué)鍵理論分析

該理論認(rèn)為基體表面上的官能團(tuán)與纖維表面上的官能團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)，因此基體與纖維間產(chǎn)生化學(xué)鍵而結(jié)合，形成界面，也稱為“偶聯(lián)理論”。由于在拉絲過程中，玻璃纖維表面都涂有增強(qiáng)型浸潤劑，使玻璃纖維與基體之間有良好的粘結(jié)性，主要是偶聯(lián)劑的作用。一方面，從成鍵的幾率上分析看，玻璃纖維比表面積大，偶聯(lián)劑與基體成鍵的幾率就越大。不僅僅如此，對于含有多個官能團(tuán)的偶聯(lián)劑分子來說，所有的官能團(tuán)能否與基體的官能團(tuán)反應(yīng)成鍵，即有效成鍵數(shù)目的多少將大大影響聚酯棒的強(qiáng)度。另一方面，基體(樹脂)的分子中也同樣含有多個官能團(tuán)，如果樹脂分子中的多個官能團(tuán)或者使較長的鏈段能與偶聯(lián)劑結(jié)合成鍵，那么也將會提高聚酯棒的強(qiáng)度。

                         表2  不同纖維直徑的聚酯棒強(qiáng)度

    
   2.2.1.2 從浸潤理論分析

    
   如果認(rèn)為兩組分能完全浸潤，則樹脂在高能表面的物理吸附所提供的粘結(jié)強(qiáng)度，將大大超過樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度。玻璃纖維與樹脂的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘結(jié)與潤濕吸附。機(jī)械粘結(jié)模式是一種機(jī)械鉸合現(xiàn)象，即樹脂固化后，大分子進(jìn)入纖維的孔隙和不平的凹陷之中形成機(jī)械鉸連；物理吸附主要是范德華力的作用，使兩項間進(jìn)行粘附。這兩種作用的同時存在也提高了聚酯棒的強(qiáng)度。

2.2.1.3 從摩擦理論分析

對于基體與玻璃纖維表面的界面，粘結(jié)摩擦作用也有很大的影響，基體與玻璃纖維表面的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。處理劑的作用在于增加了基體與玻璃纖維表面的摩擦系數(shù)，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高。水等低分子物質(zhì)浸入后，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降，但干燥后強(qiáng)度又能部分恢復(fù)。這是由于水進(jìn)入界面后，基體與增強(qiáng)材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力減弱，故強(qiáng)度降低，而干燥后界面的水減少，基體與玻璃纖維間的摩擦系數(shù)增大，傳遞應(yīng)力的能力增加，故強(qiáng)度部分恢復(fù)。

 
    2.2.1.4 張力的影響

        由于纖維都是以纖維束的形式存在，而且纖維通常還需要加捻合股等工序，在纖維束中就很可能存在纖維的長短不勻的現(xiàn)象，造成了纖維的張力不均，即在纖維受力時并不是所有的纖維都起到了作用，這也降低了聚酯棒的強(qiáng)度。

2.2.1.5 聚酯棒在干態(tài)和濕態(tài)下彎曲強(qiáng)度的比較與分析

由于濕度對于玻璃鋼的性能影響比較大，而在很多的應(yīng)用上其環(huán)境的濕度都是比較大的，所以也有必要研究玻璃鋼在濕態(tài)下的性能。

從試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示來看，聚酯棒在干態(tài)下的彎曲強(qiáng)度要比在濕態(tài)的彎曲強(qiáng)度高100MPa左右，因此如何采取有效的方法防止玻璃鋼在濕態(tài)下強(qiáng)度的降低，還有待進(jìn)一步研究。以下是對兩種情況下玻璃鋼性能的分析，即水對玻璃鋼破壞的分析。

清潔的玻璃纖維表面吸附水的能力很強(qiáng)，并且纖維表面與水分子之間的作用力，通過已吸附的水膜傳遞，所以玻璃纖維表面對水的吸附是多層吸附，形成較厚的水膜，因此這就很大程度上影響了玻璃纖維與樹脂的粘結(jié)。

玻璃纖維復(fù)合材料表面上吸附的水浸入界面后，發(fā)生水和玻璃纖維及樹脂間的化學(xué)變化，引起界面粘結(jié)破壞，致使復(fù)合材料破壞。

復(fù)合材料吸附的水進(jìn)入界面的途徑，一是通過工藝過程中在復(fù)合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應(yīng)力作用下破壞，形成互相串通的通道，水很容易沿通道到達(dá)很深的部位；另一條是樹脂內(nèi)存在的雜質(zhì)，尤其是水溶性無機(jī)物雜質(zhì)，遇到水時，因滲透壓的作用形成高壓區(qū)，這些高壓區(qū)將產(chǎn)生微裂紋，水繼續(xù)沿微裂紋浸入。此外復(fù)合材料制備過程中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，也會在復(fù)合材料內(nèi)部形成微裂紋，水也能沿著這些裂紋浸入。

進(jìn)入界面的水，首先是使樹脂溶脹，溶脹致使界面上產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力。這種應(yīng)力超過樹脂與玻璃纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度時，則界面粘結(jié)發(fā)生破壞，因此，復(fù)合材料的強(qiáng)度會很快降低甚至完全破壞。

3 結(jié)論

(1)纖維的直徑越細(xì)纖維的強(qiáng)度越高。

(2)不同直徑的纖維所制得的聚酯棒彎曲強(qiáng)度，纖維越細(xì)聚酯棒的強(qiáng)度越低，但是變化不是很大。這主要是樹脂對纖維的微裂紋進(jìn)行了很好的修補(bǔ)，因此纖維直徑的粗細(xì)對復(fù)合材料的強(qiáng)度并沒有多大的影響。

(3)聚酯棒在濕態(tài)和干態(tài)下的彎曲強(qiáng)度均相差100MPa，說明濕度對復(fù)合材料的強(qiáng)度影響比較大，有待進(jìn)一步提高在濕態(tài)下的強(qiáng)度。