[发明专利]玻璃纤维胶料组合物

说明书

技术领域

本发明涉及玻璃纤维增强复合材料技术领域，特别是涉及用于玻璃纤维的硅烷基胶料，其提高了用涂覆有这样的胶料的玻璃纤维增强后的高分子复合材料的机械性能。

背景技术

高分子材料具有很多有吸引力的性能，但是对于很多结构应用而言，它们的机械性能显得不足。通过将具有高硬度和/或强度、并且具有大约6至25m直径的纤维，通常为碳纤维、玻璃纤维或聚酰胺纤维，嵌入高分子基质中而形成的纤维增强材料具有实质上更高的机械性能，从而获得非常有利的机械性能密度比。增强纤维可长可短，或者可以是连续的。在后一种情况中，根据特殊部件所受到的应力场的影响，连续纤维能够被不同地定向。增强纤维可以布置成织物形式，例如，不同图案的编织布、编织带或针织布，或者它们可以被放置在模具或按照预定图案缠绕的长丝中。

当纤维增强复合材料受到应力场影响时，应力会通过基质-纤维界面从基质传递到纤维。如果基质-纤维界面的强度比较高，那么整个负载都会被传递到纤维并且其机械性能会比较高。另一方面，如果基质与纤维之间的界面结合比较低，那么可能会在基质-纤维界面上开始出现裂缝，并且裂缝会沿着基质-纤维界面蔓延，从而导致过早破坏。因此，提高基质和纤维之间的结合变得非常重要。

为了允许，特别是在织布机中，对纤维进行处理并且提高纤维与其嵌入的基质之间的界面粘附，纤维涂覆有胶料，该胶料的成分取决于将要被上胶的增强纤维的性质以及与纤维一起使用的基质。通常，玻璃纤维使用硅烷基组合物进行上胶，这是因为Si-O-Si共价键一方面能够形成在玻璃纤维表面和通过水解胶料中的烷氧基硅烷而获得的硅烷醇之间，另一方面也能够形成在相邻的硅烷醇基团之间，由此在玻璃纤维的表面上形成交联结构。这种交联结构似乎能提高纤维的耐腐蚀性，特别是耐水解性。胶料与基质之间的粘附通过硅烷偶联剂的有机官能团和成膜剂来提高，而成膜剂的性质取决于所使用的基质。胶料组合物通常包括另外的添加剂，例如，润滑剂、抗静电剂等等。现有技术如在WO2006007169、US2006204763、EP2053078或WO2004110948中已经提出了大量的用于玻璃纤维的胶料组合物，并且E.P.Pluedemann在“硅烷偶联剂”（E.P.Pluedemann,“Silane Coupling Agents”,Plenium Press(1982)）一文中对这些胶料组合物进行了简要综述。

当通常在用于玻璃纤维的胶料组合物中使用具有不超过10单位的单体烷氧基硅烷或低聚聚烷氧基硅氧烷时，Park和Subramnian在J.Adhesion Sci.Technol.,5(6),459(1991)中建议使用高分子硅烷。在高分子硅烷中，硅氧烷的支链通过亚甲基链间隔基附着到聚乙烯亚胺主链上。他们同时建议在纤维的表面上形成锯架结构，其中硅烷聚合物和玻璃表面之间的相邻两个Si-O-Si基团通过高分子主链相互连接。他们的结论是，当使用二烷氧基硅烷而不是三烷氧基硅烷作为高分子主链的侧链时能获得更好的结果。这些结论是基于在嵌入树脂中的单个纤维上进行的界面剪切强度测试（IFSS）得到的。基于这样的测试结果得到的结论并不能推广至实际的复合材料，因为在实际的复合材料中，增强纤维会被捆在纤维束中，这时它们的表现与单独嵌入的纤维完全不同。

连续纤维增强复合材料的一个经常出现的难题是纤维被放置在通常由800～8000根单独的长丝组成的、相当紧密地捆在一起的束中（根据大约9～25μm量级长丝直径，为30～10,000特克斯）。这使得液体高分子基质，例如热固性树脂前体组合物或热塑性熔体，很难渗入并且渗透。给定的复合材料的机械性能（例如，对给定的基质来说，其纤维类型、含量和取向）尤其依赖于界面强度和界面面积。前者可以通过如上所述的合适胶料提高，而后者则取决于即便是在紧密捆在一起的束中液体基质浸润每个单独的纤维的能力。当基质对纤维的浸润很差时，会对与纤维的取向方向垂直的方向上（如ISO527/1中定义的90°时的拉伸方向）的抗拉强度、剪切强度（最好由ISO14130中定义的、所谓的短梁测试（SBT）来表征）以及特别是对疲劳产生特别消极的影响，其中，在应力大大低于复合材料的断裂点时的疲劳会在多个加载/卸载周期之后出现，这是在诸如风轮机、叶簧、船体等等的应用中出现疲劳的主要原因。

尽管在用于玻璃纤维的胶料组合物领域中有很多新的进展，但是对从高分子基质到增强纤维的负载传递进行进一步优化以实现复合材料的全部机械潜能依然是一个挑战。本发明提出了实现此目标的一种方案。下面将介绍本发明的此优点以及其他的优点。