玻璃钢纤维（精选11篇）
玻璃钢纤维 篇1
科学家近日研究一种生产玻璃纳米纤维的新方法, 该方法依赖于众所周知的“激光纺纱”技术。研究人员来自美国的维戈大学和罗格斯大学、英国的伦敦帝国理工学院。该研究小组研究人员成功地从生物活性玻璃中提取出纳米纤维。这种材料与用于医药的材料相同, 能够促进骨骼再生。
激光纺纱技术能够从组成物中提取出玻璃纳米纤维, 而其他方法是不能达到这个目的的。该新技术的一个亮点是使用高能量激光, 用于前置物质, 通过再加热, 然后一个强大的气体电流用来延长和冷却产生的超精细纤维材料。另一重要突破是, 新技术已经能够在相对共同的环境条件下使用, 甚至该技术每项过程都能在该条件下轻松进行。这意味着在产品生产出来期间, 科学家将更容易地控制生产环境, 这在纳米技术生产领域是很难看到的。研究人员说, 在不久的将来, 这项新成就可用于医院。由于其纳米结构, 玻璃纳米纤维的多种生物活性更富弹性, 更耐用, 这意味着它可以促进骨骼再生。根据以往的研究, 新的骨细胞更容易接受纳米材料的介入。这项新技术也可用于其他用途, 如生产阻燃面料, 二氧化碳捕获系统, 甚至复合材料。
玻璃钢纤维 篇2
近年来中国玻璃纤维工业发展迅速，我国玻纤工业发展速度远高于世界平均水平。玻纤的产量占世界产量比重从2000年不到10%提高到2010年的54%，成为世界头号玻纤生产大国和出口大国。目前，世界玻纤产业已形成从玻纤、玻纤制品到玻纤复合材料的完整产业链，其上游产业涉及采掘、化工、能源，下游产业涉及建筑建材、电子电器、轨道交通、石油化工、汽车制造等传统工业领域及航天航空、风力发电、过滤除尘、环境工程、海洋工程等新兴领域。
除了我们熟知的一些应用领域外,玻璃纤维在特殊领域的运用也是很广泛的。新型玻纤制品主要有：特种玻璃纤维、表面改性玻璃纤维、玻璃纤维复合纱、玻璃纤维浸渍纱。同时，玻璃纤维也被用作过滤材料和催化剂载体材料。
由于现在环境污染日趋严重，已经威胁到了人类的生活与健康发展。为了实现空气净化的效果, 新型优质的过滤材料成为近年来科研工作者研究开发的热点。经试验发现玻璃纤维及其复合材料是优质的高温、防腐过滤材料。因此, 以玻璃纤维原料为主抄造而成的玻璃纤维空气过滤纸越来越受到人们的青睐。
玻纤空气过滤纸是以玻璃纤维原料为主掺配其它纤维或丝,使用化工原材料赋予特殊性能, 利用传统的造纸技术抄造成, 作为过滤介质使用的多孔性纸、厚纸乃至纸板。它主要作为过滤材料, 其作用相当于三滤纸中的空滤纸, 只不过性能更优, 用途更广。玻璃纤维空气过滤纸用途广泛, 它的主要用途是作为气体、液体的净化滤纸。玻纤空气过滤纸能够从气体中除去有害粉尘、烟雾、毒雾等,还能阻隔细菌, 微生物和病毒, 这对国防装备的改进, 环境保护,人类的健康, 机械设备的保养, 精细加工产品及电子产品的保证是必不可少的,对国防建设和国民经济的发展具有重要的意义。
目前国内外日本在这方面的研究是比较前沿的。日本已经有多个公司成功研发出不同种类的玻璃纤维空气过滤纸，可用于净化空气、过滤粉尘等。美国一公司也开发成功一种玻璃纤维复合空气过滤材料。这种玻璃纤维复合空气过滤材料滤除粉尘和固体微料的过滤效率
很高。
玻璃纤维纸目前主要是用于过滤材料的制备。通过分析我们可以看到,一般玻璃纤维过滤纸都有一个共同的弱点, 即容尘量低, 使用寿命短, 高效滤器的使用寿命一般为1 年, 半年, 短的只有几个月, 甚至十多天就得更换, 而这些滤器的更换程序很麻烦, 且价格也贵。有时我们可以在高效滤器前装上一个中效或初效滤器, 以延长高效滤器使用寿命, 但是仍然存在装拆更换麻烦, 占地面积大等一系列问题。
玻璃钢纤维 篇3
【关键词】玻璃纤维；针入度；软化点；延度
1、试验部分
1.1试验原材料
1.1.1沥青
本论文所有试验采用70#基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2011）的要求，对基质沥青进行了针入度、软化点、延度的测试，测试结果符合试验要求。
1.1.2玻璃纤维
前期对ER4305P-2400直接纱、ECS305K（3mm短切纱）、ECS305K（4.5mm短切纱）、WCS-2501短切纱进行分散性对比试验，结果显示ER4305P-2400直接纱与沥青的相容速度快，且易分散，因此本论文试验采用ER4305P-2400直接纱作为原材料。
1.1.3预浸剂
采用了能溶于沥青的浸润剂与玻璃纤维凝结为一个整体，试验采用的浸润剂有Sasobit、EBS、聚乙烯蜡三种。
1.2试验配方确定
为了使得Sasobit、EBS、聚乙烯蜡与玻璃纤维裹覆均匀和浸润完全，并易于短切和均匀分散，本试验选择了六种与玻璃纤维能良好裹附、无毛刺、风干快且具有代表性的配方作为预浸剂配方，其中通过检测发现预浸过的玻璃纤维直径是1.68mm，用预浸剂配方裹附的玻璃纤维中，纤维占80%，有机物占20%，从而可以测算出每种配方各化学药品与纤维的比例如下：
1、配方一：70#基质沥青：玻璃纤維=2：8
2、配方二：70#基质沥青：sasobit：玻璃纤维=18：2：80
3、配方三：70#基质沥青：聚乙烯蜡：玻璃纤维=18：2：80
4、配方四：70#基质沥青：EBS：玻璃纤维=18：2：80
5、配方五：70#基质沥青：sasobit：EBS：玻璃纤维=9：9：2：80
6、配方六：70#基质沥青：聚乙烯蜡：EBS：玻璃纤维=9：9：2：80
1.3预浸玻璃纤维短切长度和试验掺量的优选
按照配方二，将玻璃纤维短切成3mm、5mm、8mm、12mm四种长度，分别投入沥青中，根据其分散情况及与沥青的相容性，确定采用3mm为试验最佳短切长度。将短切长度为3mm的预浸纤维按掺入到沥青中，将0%、0.5%、1.0%、1.5%定为针入度、软化点、延度相关试验的掺量。
1.4试验方法
本论文中的所有试验均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2011）进行试验。
1.5试验结果及分析
1.5.1针入度、软化点、延度试验
各配方不同掺量的玻璃纤维沥青针入度、软化点、延度试验结果见表1.1、1.2、1.3。
针入度试验结果表明：玻璃纤维掺量越大针入度越小，沥青粘稠度和粘滞性越大。配方二减小针入度和增大沥青粘稠度的效果最好。预浸玻璃纤维的加入，增加了沥青的粘稠度和粘滞性。
表1.2 玻璃纤维沥青软化点试验结果
软化点试验结果表明：玻璃纤维的加入，能显著提高沥青软化点，且掺量越大软化点越高，这是因为玻璃纤维的加筋效果。配方五提高软化点的效果最好，只有配方五和配方二的软化点比掺加未浸润玻璃纤维的基质沥青高，即只有用Sasobit浸润以及用Sasobit与EBS混合剂浸润的玻璃纤维沥青，耐热性和高温稳定性得到了改善。
表1.3 玻璃纤维沥青延度试验结果
试验结果表明：配方四提高沥青延度效果最好，即增强沥青塑性效果最好。掺入玻璃纤维的沥青，其延度都明显低于基质沥青，即掺入玻璃纤维后，沥青的低温性能没有得到改善，反而恶化。
2、结论
（1）所有预浸配方的掺入都使得沥青粘稠度和粘滞性增强，其中配方二，即用Sasobit作为浸润剂效果最优。
（2）Sasobit和EBS的掺入使得沥青温度稳定性和耐热性得到改善，其中配方五，即以Sasobit和EBS混合剂为浸润剂效果最优。
（3）所有预浸化学试剂的掺入都使得沥青的低温性能和塑性变差。
参考文献
[1]王晓华，刘润，王新岐.纤维对沥青胶浆性能改善作用[J].交通标准化，2009，199（6）：68-70.
[2]Amirkhanian SN， Burati JL， Bridges WC .Polyester Fibers in Asphalt Paving. Mixtures.Association Asphalt Paving Technology.1989，58（16）：387-409
玻璃纤维壁布的十大性能 篇4
(2) 防火:A级防火的布墙铁壁, 天然不燃、具有举世公认的安全性和无毒性;
(3) 耐水性:与水无缘的天性, 水洗10000次而容颜依旧;
(4) 透气性好, 防霉变:能自由呼吸的墙, 前所未有的透气性;
(5) 抗开裂, 无与伦比的强度:抗撞击, 防开裂, 防虫咬;
(6) 防腐蚀, 拒腐蚀, 永不沾:酸性碱性不相干;
(7) 立体花纹品种繁多:丰富的花纹, 提供多样化的选择, 无穷的色彩变幻, 自由自在的个性表达;
(8) 不脱落, 纤维壁布与涂料及胶紧密结合在一起:涂料及胶会渗入纤维组织, 不会出现一般涂料及壁纸常易出现的脱落或开胶的问题;
(9) 安全无毒:一切装饰材料的生产依据欧盟最高安全标准生产, 最根本的是要绝对无毒无味, 这是海吉公司的宗旨;
(10) 易维护:玻纤壁布的更新无需进行墙面再处理, 只需在原有基础上, 根据个人喜好, 重新喷刷一遍海吉涂料即可变换色彩, 亮丽如新。
耐碱玻璃纤维网格布检测方法比较 篇5
1、依照JGJ144—2004《外墙外保温工程技术规程》的标准。其中：①耐碱拉伸断裂强力(经、纬向)≥750 N/50 mm，按JGJ144—2004 中附录A.12 进行检测，经向、纬向各20 片。试样尺寸：300 mm×50 mm，用(23±2)℃、5%NaOH 水溶液浸泡28 d，取出在自来水中浸泡5 min，然后以流水漂洗5 min，再在(60±5)℃烘箱中烘1 h，存放24 h 后备用；②耐碱拉伸断裂强力保留率(经、纬向)≥50%，快速法，使用NaOH、KOH和Ca(OH)2 混合碱液在80 ℃下浸泡6 h。
2、依照JC/T841—2007《耐碱玻璃纤维网布》的标准。其中：①单位面积质量由供需双方商定，实测值不超过其标称值±8%，按GB/T9914.3 的规定进行检测；②拉伸断裂强力根据标称单位面积质量不同而要求不同。例如：单位面积质量在161～170 g/m2 之内的，其拉伸断裂强力≥1 300 N/50 mm，拉伸断裂强力和断裂伸长率按GB/T7689.5 进行检测；③断裂伸长率≤4.0%，拉伸断裂强力和断裂伸长率按GB/T7689.5进行检测；④耐碱性，拉伸断裂强力保留率≥75%，耐碱性按GB/T20102—2006 的规定采用氢氧化钠溶液浸泡法，即采用5%的氢氧化钠溶液浸泡28 d，然后用蒸馏水冲洗，在(23±2)℃、(50±5)%环境中放置7 d。
JC/T841—2007《耐碱玻璃纤维网布》所述产品是采用耐碱玻璃纤维纱织造，该产品主要用于水泥基制品的增强材料，如隔墙板、网架板及外墙保温工程用材料等，也可用作聚合物及石膏、沥青等基本的增强材料。因而，JC/T841—2007 规定的耐碱玻璃纤维网布适用范围更广。JC/T841—2007《耐碱玻璃纤维网布》不仅对拉伸断裂强力有详细规定，对单位面积质量也做出了具体要求，而JGJ144—2004《外墙外保温工程技术规程》所用快速法需要高温处理耐碱玻璃纤维网布对测试结果有一定影响，并且此标准并没有对单位面积质量做规定要求，所以只能对耐碱性做检测。
玻璃钢纤维 篇6
关键词:水泥混凝土 沥青混凝土 修复与加铺 玻璃纤维格栅
0、引言
沥青混凝土加铺面层的关键在于，如何有效修复旧水泥混凝土板。为了保证旧水泥混凝土路面沥青加铺后不出现反射裂缝，在设计上，不仅要合理对加铺层的结构厚度、沥青混合料类型组合、配合比和施工等进行设计，且还要防止反射裂缝产生，中间夹层玻璃纤维格栅的设置，更重要是要充分利用原有旧水泥混凝土路面作为沥青加铺层的基层提高路面的使用寿命。
1、旧水泥混凝土路面的病害类型与产生原因
路面经过十几年使用，部分水泥混凝土路面已经造成板块的破损、断裂、错台等病害。其改造前病害类型主要分为4类。
1.1裂缝病害类
主要指纵、横、斜向和交叉型贯通性裂缝以及板面严重的破碎。
1)横向裂缝由水泥混凝土失水干缩、冷缩和切缝不及时等因素引起。
2)纵向裂缝因为路基填料不均匀，或施工方法不当，导致路基不均匀沉降，从而使路面在自重和行车荷载作用下产生裂缝。
3)交叉型贯通性裂缝主要由混凝土强度不足、路基和基层的强度和水稳定性差造成。
1.2接缝及周围损坏病害类
主要指路面纵、缩缝和胀缝的损坏，传荷能力下降，接缝功能丧失，填缝材料的损坏等。
1)纵、缩缝和胀缝的损坏填缝料损坏后，泥、砂等杂物侵入纵、缩缝，尤其胀缝，导致路面板再次膨胀时受阻，加上雨水渗入到基层或垫层，使基(垫)层强度降低，从而导致路面接缝处传荷能力下降、变形和损坏。
2)填缝材料的损坏填缝料质量不合格；或填缝料受外界环境作用发生老化、脆裂；或由于混凝土路面板受热膨胀，挤压胀缝，致使填缝料被挤出，不能正常复原等。
1.3表面损坏病害类
主要指路面表面纹裂、网裂、起皮、露骨、浅坑洞、磨损等表面破损和纵向
凹凸不平；该病害对沥青加铺改造来说，影响程度较小。
2、玻纤格栅作用机理
水泥混凝土路面在长期使用过程中，由于诸多原因，不可避免会产生地面板块破损、断裂等病害。以往对旧水泥混凝土路病害进行加强补强的常规做法是直接在旧路面上加铺一层沥青混凝土（AC）罩面，但由于旧水泥混凝土板温缩及承载作用，造成沥青混凝土罩面层在原板块接缝处产生反射裂缝，随着反射裂缝的加大会导致雨水渗入路面，从而引起沥青混凝土罩面层新的病害，影响路面的使用寿命。玻纤格栅在沥青混凝土面层中，以其强度大、模量高、物化性能稳定的优点，将上述的压应力与拉应力分散，减少了应力突变对沥青混凝土面层的破坏。同时玻纤格栅的低延伸率降低了路面的弯沉量，减少了路面的过度变形。
3、加铺玻纤格栅混凝土罩面层的施工
3.1对原旧水泥混凝土路面的处理
①沥青混凝土罩面前对路面承载能力进行评定，若承载力不足，达不到设计标准或水泥混凝土路面有底板脱空现象，应进行压浆补强处理。
②对原有路面有局部松散、坑洞、填缝料脱落及扩散型裂缝， 应事先清理、修补和填塞，以保证表面状况平整完好。
③将原有的光滑路面凿毛并冲洗干净。
3.2玻纤格栅的铺设
3.2.1玻纤格栅的选择
通常使用自粘胶的玻纤格栅，玻纤格栅用径（孔）选择为沥青混凝土面层集料最大粒径的0.5-1.0倍，极限抗拉强度应大于 50KN/m以便发挥玻纤格栅的抗反射裂缝性能，又能保证加铺玻纤格栅的粘结层抗剪性及粘结力的需要。
3.2.2玻纤格栅搭接距离玻纤格栅搭接距离一般为纵向搭接≥20cm，横向搭接≥15cm。纵向搭接应根据沥青混凝土推铺方向将前一幅于后一幅之上。
3.2.3玻纤格栅铺设固定
玻纤格栅铺设完毕后使用优质水泥钉与尺寸为30ｍｍ×30ｍｍ厚0.3ｍｍ的固定铁皮固定玻纤格栅，可根据施工实际情况确定固定间距，并使用小型機具（手推滚筒等）压实，使玻纤格栅与原路表面粘结牢固。在铺设好的玻纤格栅路段，洒布粘层沥青。粘层沥青宜采用快裂的洒布型乳化沥青或改性沥青，一般用量为 0.6kg/ｍ2-0.8kg/ｍ2。洒布粘层沥青后根据工程实际情况尽早铺筑沥青混凝土路面，以避免施工现场受到破坏，影响路面施工质量。
3.3洒铺粘层沥青
沥青混凝土罩面层作为直接承受车辆和传递荷载的主要承重结构，应具有足够的结构厚度、强度和耐磨耗能力。最小总厚度应大于5ｃｍ厚的中、细粒式沥青混凝土。
4、玻璃纤维格栅的应用
在玻璃纤维格栅铺设时，主要抓住以下几个环节:
1)旧路面保持平整、干燥、整洁，确保没有油污、尘土和杂物；喷油匀速前进、均匀，并根据实际路况进行小块试验测定，控制好用油量(1.2～115L/m2)；不留有条纹、遗露和滴洒。
2)胶面向下铺设格栅，待乳化沥青完全破乳后铺设，并保持其平整、拉紧，不起皱，使格栅具有一定的张力。本工程选用非自粘式玻璃纤维格栅，采用钢钉固定法，格栅纵、横向搭接宽度不小于15 cm，纵向搭接应根据沥青摊铺方向将前一幅置于后一幅之上。
3)格栅背胶易溶于水，若遇到雨、雾霭等天气或路面潮湿时，禁止施工；
4)格栅铺设过程中，若发现原路面有较小的坑洞没有预先填平，可在铺好的格栅上将对应坑洞的部分剪掉，以便上层沥青混合料能完全填平坑洞，保证沥青混合料摊铺质量。
5、结语
1)通过对旧混凝土路面的处理和加铺沥青混凝土面层改造，经过一段时间通车运行，从路面使用状况结果来看，目前，还没有发生车辙变形、松散、泛油及水损害等现象，表面状况良好，各项指标均满足要求。
2)对于旧混凝土路面加铺沥青混凝土的改造，目前国内仍处于探索阶段，但在旧混凝土路面加铺改造施工中，修复旧混凝土路面板的工作非常重要，直接影响到加铺沥青混凝土面层的使用质量。
3)使用玻纤格栅，对旧混凝土路面的改造，能有效地改善路面结构应力分布，抵抗和减少反射裂缝的产生，提高面层的路用性能和寿命。
参考文献:
[1]毕晋伟，刘承延.水泥混凝土路面加铺沥青混凝土施工技术[ J].市政技术，2005，23(2):84-86.
[2]刘福明.SBS改性沥青在唐山西外环高速公路上的应用[J ].筑路机械与施工机械化，2005，22(10):31-33.
探究玻璃纤维管行业发展现状 篇7
据专家预测, 今后一段时间内, 全球玻璃纤维的年增长率将维持在5%左右。美国从2002年到2007年的年增长率为2.5%, 欧洲为4%, 亚洲地区为7%, 我国则可高达10%。据悉, 我国玻璃纤维2003年全国总产量达到45万t, 预计2005年可以达到60万t左右。中国玻璃纤维工业协会最近提出我国玻璃行业“十一五”发展规划 (讨论稿) , 提出的奋斗目标是全国玻璃纤维总产量为70万t, 其中池窑拉丝的比例达到80%。预测2020年全国玻纤总量将可达到100万t, 其中地窑拉丝达85%。据专家预测, 美国2007年的玻纤总产量将可达到127万t, 其中用于增强热固性塑料和热塑性塑料的增强纤维将达到54.5万t, 而屋面防水材料、玻纤纺织材料、纸制品及增强橡胶制品的玻纤总量将达到59万t。
因为池窑拉丝具有工序简化, 能耗降低, 铂铑合金占用量小、玻璃熔制质量好。生产效率高、生产能力大、生产综合成本低及能满足多品种生产量需要等一系列优越性, 故池窑拉丝已成为国际上的主流生产技术, 约占全球玻纤总量的90%以上。
玻璃钢纤维 篇8
本工作采用短切玻璃纤维为水玻璃型壳的增强相,将占耐火粉料质量分数0%~0.5%短切玻璃纤维加入到制壳涂料中,制备出纤维增强型壳制壳用涂料。研究玻璃纤维加入量对水玻璃型壳制壳用涂料流变性的影响规律,以便深入了解和掌握含玻璃纤维的水玻璃精铸涂料的流变特性,为实现对涂料质量的有效调控以及该技术的工业化应用奠定理论与技术基础。
1 实验材料与方法
涂料制备用耐火粉料为200目石英粉,以模数为3.0、密度为1.3g·cm-3的水玻璃为黏结剂,水为载液。涂料的粉液比为1∶1。配制涂料时,所用短切玻璃纤维的尺寸为8.2μm×3.0mm,加入量为0%~0.5%。涂料组成如表1所示。
涂料混制时,先将纤维与耐火粉料干混均匀,然后逐渐加入水玻璃混成膏状,再加入载液混制120min后,待用。涂料混合、搅拌采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机。用RS323OLS型流变仪测试涂料的流变性。
对于非牛顿流体,由于高剪切速率下涂料黏度值测定的分辨率比低剪速率区更高。以150s-1剪切速率下涂料的表观黏度值作为高剪黏度值,并以此来对涂料的流变性差异进行评价。
涂料的触变性可以用触变环面积大小来衡量。触变环面积越大,表示涂料的触变性越大。本工作以涂料在剪切速率从0s-1连续增加到150s-1,再从150s-1减小到0s-1时,其剪切应力值随剪切速率的变化,绘制出剪切应力-剪切速率封闭曲线即为触变环。利用R/S流变仪的数据处理功能计算触变环面积,以此作为评价涂料触变性的指标。
涂料屈服值是指使涂料开始流动所必须达到的最小剪切应力值。以剪切应力从0Pa线性增加到20Pa时,剪切应力-剪切速率曲线中的第一个非零的剪切速率值所对应的剪切应力值作为涂料的屈服值。为了减少实验误差,将每种涂料测试3次,取平均值为测试值。测试时,采样周期为40s,步长为4s。
涂料悬浮性采用相对高度沉降法表征。将待测涂料静置24h后,根据JB/T9226-1999进行测试。
2 结果与分析
2.1 水玻璃精铸涂料流变性能
2.1.1 水玻璃精铸涂料表观黏度
黏度是流体黏滞性的一种量度,它反映了流体内部摩擦力的大小。对于牛顿流体,在温度及压力不变的条件下,其黏度值恒定。而对于非牛顿流体,其黏度随着剪切率或时间的变化而改变,因此常用表观黏度来表征其黏滞力的大小。所谓表观黏度是指在一定速度梯度下,相应的剪切应力与剪切速率之比值。它是表征流体流动性的一个指标。真实黏度是不可逆的黏性流动的一部分,而表观黏度还包括了可逆的高弹性变形那一部分,所以表观黏度一般小于真实黏度。铸造用涂料均属于非牛顿流体,故采用表观黏度值来表征其黏滞性。
图1为不同短切玻璃纤维加入量时6种涂料的表观黏度随剪切速率变化曲线。可以看出,相同剪切速率的条件下,加入玻璃纤维的5组涂料的表观黏度值高于不加纤维涂料的。在剪切速率约为5s-1时,加入玻璃纤维的5组涂料的表观黏度值均有一个突增的变化。短切玻璃纤维加入量从0.1%增加到0.5%时,与未加入玻璃纤维涂料相比,表观黏度值分别增加了9.1%,17.5%,44.1%,29.4%,16.8%。加入到涂料中的短切玻璃纤维在剪切力作用下作圆周运动,纤维的轴向与剪切力方向一致,纤维间发生交织、搭牵现象,形成纤维网络结构,将涂料内部的粒子束缚在网络骨架里。而随着短切纤维的增多,涂料内部所形成的网络结构的致密度增高。涂料中的粒子进入纤维骨架,整个涂料几乎为一个完整的网络结构。在起初受到剪切作用时,涂料内部就此产生很大的流体流动阻力,涂料的表观黏度值也就由此而增大。
由图1可知,6种涂料表观黏度随着剪切速率的增大而不断变小,且变化规律相似,均具有剪切稀释的性能。当剪切速率增至约45s-1时,每组涂料的表观黏度均下降明显。与剪切速率约5s-1时相比,玻璃纤维加入量为0%~0.5%的涂料分别下降了19.2%,20.6%,19.8%,24.8%,23.6%,22.9%,降幅最大的是加入量为0.3%时的涂料。而相同剪切速率条件下,含0.3%纤维的涂料表观黏度值均高于其他涂料。这是由于纤维加入量为0.3%时,涂料中的纤维分布较均匀,形成的初始网络结构牢固且致密,表观黏度大;纤维加入量过低时,涂料中形成的网络结构数量少;涂料中纤维加入量过高时,容易缠绕,出现结团现象,这样导致纤维的加入对涂料黏度的影响有限。此外,剪切速率增大时,纤维大网络结构遭到破坏,分散成若干小网络结构,再到单根纤维,其网状结构遭破坏最为严重。因此,流动阻滞力迅速减小,黏度大幅下降,涂料具有良好的剪切稀释性能。当剪切速率继续增加时,各组涂料的表观黏度值趋于恒定。这是因为在较高的剪切速率条件下,原来搭接、交织以及结团的玻璃纤维几乎全部呈单丝状,纤维对涂料黏度的影响作用减小。剪切速率继续增加至约150s-1的过程中,涂料的宏观表现为表观黏度趋于恒定值。
由于玻璃纤维加入量和分散情况不同,其对涂料表观黏度的增强作用有所不同。随着玻璃纤维加入量的增多,相同的剪切速率条件下,涂料表观黏度值呈现先增大后又减小的趋势。当纤维加入量超过0.3%时,剪切速率相同的条件下,涂料表观黏度反而下降。当剪切速率为5s-1时,纤维加入量为0.4%和0.5%的涂料与0.3%的表观黏度相比,分别下降了10.2%,19.0%。这是由于纤维加入量增多,在剪切应力作用下,涂料中的纤维相互碰撞的几率增大,偏聚、缠绕成团的概率增大,自由水分子挣脱束缚,涂料内溶剂增多,流动阻滞力减小,黏度反而降低。
2.1.2 水玻璃精铸涂料高剪黏度
图2为水玻璃涂料在150s-1剪切速率下的高剪黏度值随玻璃纤维加入量的变化。可以看出,玻璃纤维的加入使得水玻璃涂料的高剪黏度值先增加后减小。当玻璃纤维加入量为0.3%时,涂料的高剪黏度值达到最大,约为102.6×10-3Pa·s,与不含纤维的涂料相比,增大约31.9%。
加入到涂料中的短切玻璃纤维交织、搭牵形成网络结构的同时会产生微量弹性弯曲,导致内聚力变大[15],宏观表现为黏度值增大。而在高剪切速率作用下,涂料内部的网络结构会遭到破坏,削弱了纤维对涂料黏度的影响。但涂料内部还是会有纤维单丝交织成网,起到增强作用。因而含玻璃纤维涂料的高剪黏度值仍高于不含玻璃纤维的涂料。
2.1.3 水玻璃精铸涂料触变性
触变性是涂料的一个非常重要的参数,直接关系着涂料贮存稳定性、工作性能及涂层厚度。涂料的沉降和分离、流动性差、流挂等缺陷均与涂料的触变性紧密相关。
图3为涂料的剪切应力随剪切速率的变化图。由图3曲线计算得到涂料的触变环面积如表2所示。从表2可以看出,随着玻璃纤维加入量的增加,涂料的触变环面积呈现先增大后减小的趋势。纤维加入量为0.3%时,涂料的触变环面积达到最大,为11.8Pa·s-1。究其原因,当涂料受到逐渐增大的剪切作用时,已形成的网状骨架很容易遭到破坏;而当剪切作用逐渐减小直至消失时,纤维之间的网络骨架又会依靠布朗运动而重新构成。正是由于骨架结构的破坏速率远大于重构的速率就使得涂料具有一定的触变性能。由于玻璃纤维加入量和分散情况的不同,涂料黏度值随剪切速率的变化规律也会不同,进而对涂料的触变性产生不同的影响。纤维加入量为0.3%时,涂料内形成的骨架结构最多,其遭到破坏的速率以及重构的速率差距最大,从而使得涂料更能满足熔模制壳用涂料的要求。纤维加入量低于0.3%时,骨架结构的节点少,涂料抗剪切破坏能力弱;但纤维加入量过高时,纤维在涂料混制过程中又易结团、缠绕,涂料内形成的骨架结构减少,导致涂料的抗剪切破坏能力低。因此,纤维加入量过低或过高,均可使涂料的触变环面积减小,触变性难以达到熔模制壳用涂料的要求。
2.1.4 水玻璃精铸涂料屈服值
涂料的屈服值是保证涂料具有良好的工作性能的基础。具有一定屈服值的涂料,在制壳时的施涂过程中,可以避免涂料在自重力的作用下,在型壳的垂直壁面上流淌,也即涂料具有好的抗流淌性。表3是涂料的屈服值随纤维加入量的变化。可以看出,涂料中加入纤维后,其屈服值并没有变化,均为0.7Pa。这说明玻璃纤维的加入对涂料屈服值无明显影响。
根据上述分析可以发现,加入0.3%玻璃纤维的涂料有较高的表观黏度,高剪黏度以及较好的剪切稀释性能及良好的触变性。
2.2 水玻璃精铸涂料悬浮性能
悬浮性是涂料的重要的工作性能,是涂料流变性的重要参数。表4所示为涂料悬浮性测试结果。可知玻璃纤维的加入对涂料悬浮性无明显影响。涂料的悬浮性主要取决于分散相(耐火粉料)的粒度、形态及分散介质的胶体特性。分散介质中能促进复杂网络结构形成的物质越多,分散相(耐火粉料)的粒度越小,涂料的悬浮性就越好。涂料中加入纤维后,虽然纤维之间能形成一定的网络骨架,但相比于涂料中原有的复杂网络结构来说,其所占比例仍然很小,因而对涂料的悬浮率影响很微弱。因此,要从根本上改善涂料的悬浮性能,必须在涂料中加入适量悬浮剂、减小耐火粉料的粒度涂料等方面着手。
3 结论
(1)制壳涂料中加入0%~0.5%的直径为8.2μm、长度约3.0mm的短切玻璃纤维后,涂料的表观黏度值随着剪切速率的增大而不断减小,均具有剪切稀化的特性,且变化规律与不含纤维的涂料相似。但在相同剪切速率下,含纤维涂料的表观黏度值均高于不含纤维涂料。
(2)相同剪切速率条件下,含0.3%短切玻璃纤维涂料的表观黏度值均高于其他涂料。
(3)随着涂料中玻璃纤维加入量的增大,150s-1剪切速率下涂料的高剪黏度值呈现先增加后减小的变化规律。玻璃纤维加入量为0.3%时,涂料的高剪黏度值达到最大,约为102.6×10-3Pa·s,与不含纤维的涂料相比,增大约31.9%。
(4)涂料中的纤维加入量为0.3%时,其触变环面积达到最大,为11.8Pa·s-1,涂料触变性最好。
淀粉型玻璃纤维浸润剂的研究 篇9
上世纪30年代末期,Owens Corning制造了第一种连续纤维,这也成为了现代非金属材料家族中具有独特功能的新型结构材料。今天,纤维增强材料占据了复合材料市场份额的9%,根本原因是玻璃纤维具有极高的性价比。例如,尼龙(PA)用玻璃纤维增强后,其力学性能、热性能显著提高,特别是拉伸强度和弯曲强度会有成倍增长,因而在国民经济各部门得到广泛的应用,如用于生产机械零件、代替有色金属材料以及家用电器制品(对颜色有一定要求)[1]。相对其它增强材料的发展,玻璃纤维增强技术起点较低,因而在材料科学与发展中,玻璃纤维的生产就演变成了一个复杂的技术要求与挑战[2]。
玻璃纤维的主要原料是石灰石、Si O2、氧化铝、萤石及硅砂等天然矿石,因而与金属纤维、棉纤维及其它人造纤维相比,具有耐高温、抗腐蚀、强度高、比重小、吸湿低、延伸小及电绝缘性能好等一系列优质特征[3];制造出玻璃纤维材质的制品,在机械、电气、光学、耐腐蚀、绝热及吸热等方面发挥出独特的性能[4,5]。
随着世界科学技术水平的不断发展提高,玻璃纤维已成为电子信息、航空航天、微电子技术等高新技术领域的关键基础原材料,几乎遍布国民经济和国防军工的各个领域。它又是复合材料的增强基材、电绝缘材料、隔热材料、吸声材料、光传输材料和功能纤维材料之一,也是发展高新技术产业和电子信息产业不可缺少的新型基材[6,7]。
纵观整个玻璃纤维行业,纺织型玻璃纤维制品仅占玻璃纤维总量的1/3,但其发展极为迅速[8]。如国外的玻璃纤维纺织纱除传统工业用纺织纱外,还有混纺纱、膜材用纱、铝液过滤纱、高强度纱、高硅氧纱及高弹性模量纱等;国外玻璃纤维织物除普通机织物外,还有针织物、缝编织物及多轴向织物等。用于生产此类玻璃纤维的纺织型浸润剂,以前以石蜡型占多数,但由于本身存在一些缺陷,并且随着池窑拉丝技术的深入发展,淀粉型浸润剂得到了极大的发展应用。
纺织型浸润剂必须保证纺织加工性能,确保成品质量。所以浸润剂应该在纤维上形成强度高、柔软、耐磨的膜,浸润剂的组分必须与玻璃纤维表面有亲和力,与玻璃纤维表面融为一体。随着纺织纱单丝根数的增多以及高效能纺织设备的应用,对纺织型浸润剂的保护性能要求越来越高。因此纺织型浸润剂的研究和开发,对玻璃纤维工业满足社会各行各业的不同需求显得越来越重要。我们选择纺织型玻璃纤维浸润剂的研制与应用两个方面进行研究,具有重要的技术意义和使用价值。
2 淀粉型玻璃纤维浸润剂的概述
2.1 玻璃纤维浸润剂的作用过程
在玻璃纤维拉丝过程中,需要在玻璃纤维表面涂覆一种以有机物乳状液或溶液为主体的多相结构的专用表面处理剂。这种涂覆物技能有效地润滑玻璃纤维表面,又能将数百根乃至数千根玻纤单丝集成一束,还能改变玻璃纤维的表面状态,这样不仅满足了玻纤原丝后续工序加工性能的要求,而且在复合材料中还能促进玻璃纤维与被增强的高分子聚合物的结合。这些有机涂覆物统称为玻璃纤维浸润剂(简称拉斯浸润剂)[10]。
浸润剂能有效地改变玻璃纤维某些缺陷和表面性能,是玻璃纤维及其制品得以更广泛的应用。对各种不同的玻璃纤维增强材料的成型工艺,同样必须有专用的浸润剂与之配套,赋予玻璃纤维制品(无捻粗纱、毡或织物)各种加工工艺及玻璃纤维增强树脂(FRP)、增强水泥(GRC)、增强橡胶等制品所必需的技术性能,如穿透性、浸透性、硬挺性、切割性、分散性、成带性、短切纱的流动性等等。可以说,浸润剂技术的发展是玻璃纤维工业及FRP工业发展的先决条件之一。在玻璃纤维生产和应用中,浸润剂的作用可概括为5个方面[11]:
1)润滑—保护作用:在拉丝和玻璃纤维加工的过程中,润滑作用包括原丝拉丝过程中的“湿润滑”及原丝简后加工过程中所需要的“干润滑”两种。在拉丝过程中,浸润剂中的“湿润滑组分”使玻璃纤维原丝与涂油器及集束槽之间保持一定的润滑作用,避免二者间摩擦系数多大而引起张力过大,造成飞丝、丝束打毛及退解困难等[12]。但是,如果润滑剂用量过多,拉丝时张力过小,则易造成原丝简变形,退解时易脱圈等。
原丝简干燥后(自然干燥或烘干),在络纱、退解、织造、制毡、短切过程中,浸润剂中的“干润滑组分”可使原丝具有良好的滑爽性,防止因机械磨损而产生的毛丝。一般来讲一种润滑组分可同时起到湿润剂和干润剂两种作用,但在相当多的情况下,必须有两种或数种润滑组分相配合才能达到上述效果。
2)粘结、集束作用:粘结组分可使玻璃纤维单丝粘结成一根玻璃纤维原丝,使原丝保持其完整性,避免应力集中于一根或数根单丝上,以减少散丝及断丝,便于无捻粗纱的退解及玻纤纱的纺织加工。并在短切加工过程中纱线不开纤,保持纤维束的完整性、流动性,减少短切时产生的毛团。
增加原丝的集束性有利于提高玻璃纤维对树脂的穿透性,但也会降低树脂对玻纤的浸透性,因为树脂中的溶剂(如苯乙烯等)溶解集束非常紧密的玻纤表面成膜剂时,需克服很大的动力学上的阻力。
3)防止玻璃纤维表面静电荷的积累:浸润剂中抗静电剂可以通过低价金属离子,如Li+或羟基来降低玻璃纤维表面电阻并形成导电通道,此种作用对SMC、喷射、短切毡、连续原丝毡用玻璃纤维原丝特别重要。
4)依据成型产品的不同工艺需要,赋予纤维某些特殊性能:这些特性包括短切性、成带性、分散性等,用以满足玻璃纤维在加工过程中的各种特殊的工艺条件的需求,特别是纤维在热固定性或热塑性树脂,以及橡胶、石膏、水泥等基材中被迅速浸润的性能。
5)使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能。
2.2 玻璃纤维浸润剂的种类
通常情况下,玻璃纤维浸润剂可分为三大类[13]:
1)增强型浸润剂主要指可直接用于热固定塑料、热塑性塑料和橡胶、聚氨酯弹性体等增强玻璃纤维制品生产的浸润剂。该浸润剂组分中含有偶联剂,起到了玻纤与基体树脂粘结的桥梁作用(即偶联作用),可提高复合材料的电学、力学及耐老化性能。该浸润剂应具有良好的拉丝、络纱工艺,同时还赋予玻璃纤维应具有的二次加工性能,如短切性、分散性、成带性、浸透性等等。由于玻璃钢复合材料制造方法及其性能要求的多样化,所以浸润剂也必须多样化,也就是说必须系列化、专用化,每一种玻纤产品有专用的浸润剂与之配套。
2)纺织型浸润剂是玻璃纤维纺织加工而使用的浸润剂,该浸润剂具有良好的拉丝、加捻、合股、整经、织造等纺织加工性能。由于纤维上涂覆的浸润剂会妨碍纤维与被增强基材之间的粘合,因此一般需通过热清洗和后处理工艺,将玻璃纤维表面的浸润剂除去[14],再经偶联剂处理后方可使用。
3)针对以往增强型浸润剂纺织性能不适合加工细纱薄布,而一般的纺织型浸润剂又必须经热清洗处理后方能使用的矛盾,国外又研制出增强纺织型浸润剂,其特点为既可满足细纱薄布拉丝、加捻、合股、织造等技术要求[15],又不需经后处理工序可直接使用,与各种基体树脂具有良好的浸透性和结合力。增强纺织型浸润剂的优点是节约了昂贵的后处理工序的费用,同时避免了高温热清洗对玻璃纤维的强度损失[16]。此类浸润剂在电工层压板用玻纤基布、编制绝缘套管和玻纤带、过滤材料、网络布等领域应用前景广阔。
2.3 玻璃纤维浸润剂组分与作用
从我国玻璃纤维工业创始之初起,一直使用浸润剂至今,但因为此类配方中的固色剂热清洗困难,布面易发黄,有明显的褐色条纹,导致其用量也大幅度减少,逐渐被淀粉—油浸润剂代替。淀粉—油类纺织型浸润剂多为国外使用,其原料无毒,对人体无刺激性。主要优点为热清洗容易;分解温度低,经后处理布面洁白、平整、无黑褐色条纹,残碳量低。目前我国新建的池窑法生产线生产的纺织用细纱,特别是7628布用的G75纱均采用了淀粉型纺织浸润剂[17]。随着国内玻璃纤维工业技术不断进步,淀粉型浸润剂已成为纺织纱浸润剂中的主流技术。至于增强纺织型浸润剂,目前主要由垄断超细电子纱制造技术的美国、日本等少数发达国家所掌握,并且在工业生产线上得到了大力推广和广泛普及。国内对于增强纺织型浸润剂的研究工作尚处于起步阶段,与国外的配制水平差距较远。
淀粉型纺织浸润剂是许多组份优化复配来发挥作用的,其各个组成及其作用如下:
1)淀粉:淀粉型纺织浸润剂的主要组成部分,属于水溶性高分子成膜剂。作用是在拉丝和卷绕时,将玻璃纤维单丝粘成原丝,在随后的加工工序中保护纤维,并赋予纤维良好的加工性能和成型性能,如对玻璃纤维的硬挺度、集束性、短切性、分散性、浸渍速率起着关键作用。淀粉型纺织浸润剂中的淀粉需改性处理,往往两种或两种以上淀粉配合使用,方能达到所需使用性能[18]。
2)油类:作用在于润滑和增塑淀粉,用量最大的为氢化植物油。
3)偶联剂:亦称表面处理剂。偶联剂是通过其本身的两种不同反应性质,把玻璃纤维与树脂等高分子聚合物结合起来,起到一个桥梁作用,实现无机物和有机物之间良好的界面结合。使玻纤增强材料获得满意的应用效果。
4)阳离子润滑剂:作用在于可降低浸润剂的表面张力,有利于拉丝作业的进行,减少捻线时的飞丝、断头。淀粉浸润剂中通常使用的阳离子润滑剂一般为硬脂酸与多乙烯多胺形成的咪唑类化合物。
5)增塑剂:作用是降低淀粉膜的脆性和丝筒层间粘结。常用的增塑剂有聚乙二醇、甘油等。
6)辅助成膜剂:辅助成膜剂与淀粉共用,可增加浸润剂粘结集束力,提高原丝强力,改善耐磨性,在退解、捻线织造过程中减少毛丝和淀粉脱落。可选用的辅助成膜剂有明胶、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯乳液、聚乙酸乙烯酯乳液、水溶性环氧、水溶性聚酯等。在7628布生产中可使用的辅助成膜剂一般有低分子量的聚乙烯醇、水溶性低分子量环氧等。
7)杀菌剂:添加微量的防腐剂可防止因微生物作用而使淀粉及氢化植物油变质、腐败。防腐剂一般用苯酚,国外一般使用有机锡类化合物。有机锡类防腐剂毒性较大,使用时注意卫生保护。
8)消泡剂:浸润剂中成膜剂乳液及润滑剂均含有一定的表面活性物质,在搅拌及使用过程中易产生泡沫而带来不便,有时需施加消泡剂消除泡沫,消泡剂一般为有机硅类化合物,通常在浸润剂配制完毕在表面喷洒,其用量极微。
浸润剂配方中往往只用上述列出的主要组分,而辅助组分则根据需要选用。浸润剂的具体配方根据要求各不相同[19]。
3 淀粉型玻璃纤维浸润剂的国内外研究现状
淀粉型纺织浸润剂配制的关键在于主成膜剂—淀粉的选择,目前国际上生产改性淀粉的品种已达2000多种。全世界生产改性淀粉较大的公司有:美国国家淀粉和化学公司(NSCC),它在全世界有21个分公司,是世界上最大的改性淀粉生产厂家;美国、日本玻纤工业所需的淀粉,也大都由它提供。荷兰AVEBE公司在欧洲及世界各地有8个生产基地,开发了数百种改性淀粉;日本CPC-NSK技术株式会社;德国汉高公司及丹麦DDS克罗那公司[20]。
一般说来,淀粉是一种包含线性直链和支链结构的高分子碳水化合物。本质上是,直链是由a-D(1-4)糖苷键结合的葡聚糖结构,支链结构则是α-1,4-糖苷键连接为主链,并有α-1,6-糖苷键连接作为分支点而形成的葡聚糖结构[21,22,23]。直链淀粉的浆液度低,流动性好,冷却时稀浆液易形成网状结构的淀粉,浓浆液时易形成凝胶,直链淀粉易成膜,成膜性好;支链淀粉的分子较大、成浆粘附性好,但成膜性较差。
美国OCF公司和PPG公司是在研制非迁移性淀粉型浸润剂时,为了既充分利用直链淀粉优异的成模性和凝胶化特性,阻止浸润剂迁移,又保证玻璃纤维的柔韧性,保障生产过程中的各种工艺性能,两家公司的专家们发现使用高直链淀粉与低直链淀粉相等比例的混合物可实现上述功能[24]。国外研究亦表明淀粉与含有氮原子和磷原子的化合物发生反应生成阳离子淀粉,阳离子淀粉与高直链淀粉的混合物成膜强度高,而且膜弹性好,浸润剂在纤维上分布均匀。这种改变淀粉还能减少浸润剂的迁移,改善薄膜干燥性能,而且纤维折断少,在退解和并捻时浸润剂粉状物散失量低[25]。
为了使玻璃纤维在纺织工序中减少摩擦,法国的圣戈班公司也在淀粉浸润剂中使用丙烯聚合材料[26]。该公司以淀粉和非离子及阳离子润滑剂为基材的浸润剂能够提供良好的纺织加工性能,同时能确保玻纤与热塑性塑料、热固性塑料很好地结合,浸润剂中引入含酯环烃或芳烃叔胺基团的硅烷偶联剂,可以提高玻纤与树脂的粘合力。这类浸润剂还可免除热化学清洗,玻钢强度比PVAC成膜剂更高[27]。
上世纪90年代前,国外浸润剂的配方和配制技术可从许多专利文献中查询到,但现在各大公司为技术保密,提高市场竞争力,抢占玻璃纤维制高点,一般都不采用专利形式发表。目前国外公司已经开始了浸润剂技术的专门化、精细化。
国内的玻璃纤维浸润剂与国外的相比,品种少,质量不高。国内的淀粉型纺织浸润剂配制技术更是和国外相差甚远。这种状况主要由以下几个方面造成[27]:第一,我国玻璃纤维浸润剂研究力量薄弱、研究经费少、缺乏必要的仪器设备、评价手段和方法;第二,我国可供玻璃纤维浸润剂选择的化工原料品种少,价格昂贵;第三,玻璃纤维浸润剂是各个玻璃纤维生产厂家严格保密的技术,相互交流、研究很少,技术改进速度慢。
我国研究生产玻璃纤维用淀粉型纺织浸润剂的单位有南京玻璃纤维研究设计院、重庆国际复合材料公司、巨石集团、西安近代化学研究所、上海耀华玻璃厂、陕西玻璃纤维总厂等,这些单位的浸润剂技术各有千秋,但总的说来,用于池窑生产的浸润剂,基本上还是靠引进配方,处于大部分原材料依赖进口的被动局面,这种状况已为现阶段国内池窑拉丝生产带来一定的阻碍和制约。打破国外对于玻璃纤维浸润剂的技术垄断,实现我国自主知识产权玻璃纤维浸润剂工业化生产形势迫在眉睫。
4 结论
随着我国玻纤产量不断提高,玻纤产品必须打入国际市场,而产品质量是竞争力强弱的关键。开发新品,提高质量必须以浸润剂技术为前提。这对我们提出了严峻的考验,科研人员及玻纤行业全体同仁必须有紧迫感,做到科研单位与企业紧密合作,使企业真正成为科研的主力军。
目前我国玻璃纤维产量占全球的三成,但高端的玻璃纤维技术仍被西方国家垄断,特别是关键的浸润剂技术更是鲜有公开报道。研究开发玻璃纤维,从我国的国情出发,对提升我国玻璃纤维产业技术水平和持续发展能力,推动我国高端产业和国防工业发展有重要的现实意义和历史意义。
摘要：浸润剂是玻璃纤维拉制和织造中不可缺少的材料,它起着使纤维粘合、集束、润滑耐磨、消除静电等作用,伴随着玻璃纤维在各行业的广泛应用,对浸润剂的研究具有良好的发展前景。淀粉作为浸润剂的成膜剂,原料广泛,粘结性能好,制备方便,尤其是因淀粉为碳水化合物,热分解温度低,分解后残余物少,所以很容易在热清洗工序中去除。本文综述了淀粉型浸润剂的组成与分类、其各组分在玻纤生产过程中发挥的作用以及淀粉型浸润剂在国内外的发展现状。目前我国浸润剂的研究还处于起步阶段,如何打破国外对于玻璃纤维浸润剂的技术垄断,对提升我国玻璃纤维产业技术水平和持续发展能力,推动我国高端产业和国防工业发展有重要的现实意义和历史意义。
玻璃钢纤维 篇10
有限元方法能够考虑复杂的边界条件、荷载条件和应力应变的非线性关系,所以在分析土工格栅的加筋机理方面可发挥重要作用。笔者采用ANSYS有限元程序进行三维有限元分析,通过大量的计算来分析和说明土工格栅加筋对沥青路面的作用和效果。
1 结构计算模式
1.1 结构形式
路面结构计算采用的是某道路设计断面,路面各结构层:上面层为细粒式密级配沥青混合料,厚为h1=4 cm,回弹模量E1=1 500 MPa;中面层为中粒式密级配沥青混合料,h2=6 cm,E2=1 200 MPa;下面层为粗粒式密级配沥青混合料,h3=8 cm,E3=1 200 MPa;上基层为二灰稳定碎石,h4=36 cm,E4=1 500 MPa;底基层为二灰土,h5=18 cm,E5=800 MPa;土基厚度取h0=200 cm,E0=40 MPa。路面模型尺寸为(X、Y、Z)3.20 m×4.00 m×2.72 m。在面层与基层之间铺设一层玻璃纤维土工格栅。
1.2 模型的建立
土工格栅是一种网格状结构,铺于路面中的网格会被沥青混合料所填充,同时格栅的厚度较小,故在分析中把它独立作为一层计算与实际情况会有较大的差别。根据复合材料力学的有关原理,可把格栅与邻近的沥青混合料换算为一种材料,即格栅(Geogxid)与沥青混合料(AC)复合材料层,简称G-AC层。因此,可建立由土基、基层、G-AC层、面层等构成的弹性层状体系模型,并假定各层均为连续体,各层间完全连续。复合材料G-AC层的弹性模量为
式中:Eg、Ea分别为土工格栅和沥青混合料的弹性模量;Vg、Va分别为土工格栅和沥青混合料的体积。
取土工网格所处位置的垂直方向1 cm范围内材料进行换算。计算表明,换算后的G-AC层材料弹性模量在3 000~8 000 MPa之间。通过有限元软件AYSYS,采用8节点SOLID45单元进行计算分析,共划分为65 850个单元。图1为分析模型一半的有限元网格划分。
1.3 荷载及边界条件
在进行沥青路面结构力学计算与分析时,当前应用最多、最成熟的是双圆垂直均布荷载模式下的多层弹性连续体系理论。现以双轮组单轴垂直荷载P=100 k N为标准轴载,轮胎接地压力P1=0.70 MPa,车辆制动时车轮的水平荷载P2=0.28 MPa(即滑动摩阻因数μ=0.4),荷载圆半径δ=10.65 cm,双圆中心间距31.95 cm。
边界条件假设:底面上没有Z方向位移,左右两侧面没有X方向位移,前后两侧面没有Y方向位移。
2 计算结果及分析
2.1 车轮作用下层底弯拉应力分析
在行车荷载作用下,路面各结构层层底拉应力、拉应变是路面产生疲劳破坏的主要原因之一。因此,必须对标准荷载作用下的沥青混凝土面层、半刚性基层和底基层的层底拉应力进行验算,防止其在使用期内超过材料容许值。图2给出了沿圆形均布荷载中间剖开的结构纵向、横向水平拉应力云图(本文所有应力云图中单位为Pa,以拉应力为正,压应力为负)。
由图2可以看出:结构层刚度越大,分散应力的效果越明显。所给典型路面结构在标准轴载作用下,面层底面并非都是拉应力,上面和中面层底面在荷载作用范围内受压应力,压应力为-0.080~-0.500 MPa,荷载中轴处压应力最大;其余各层底面均为拉应力。最大拉应力为0.549 MPa,沿行车方向,位于路表轮轴中心。路表在轮隙处受到大约0.129 MPa的横向拉应力。基层、底基层底面路宽范围内全部受拉,最大拉应力在双圆荷载面的对称轴处,底基层底面的最大拉应力比基层稍微大,底基层下的土基受压,压应力很小。这与路面结构的实际受力状况正好相符。
2.2 车轮作用下路面弯沉分析
弯沉是在一定荷载作用下路表面的竖向变形,是反映路面整体承载能力高低和使用状况好坏的最直观、最简单的指标。由于路表面的竖向变形是路面各结构层和土基各自变形的综合结果,因此该变形也在一定程度上反映了路面各结构层及土基的力学性质。
图3是相应于图1的路面弯沉变形等值线云图,从中可以看出轮隙中心的弯沉值并不是最大的,最大弯沉在轮载中轴处,但两者相差很小。所给典型路面结构在标准轴载作用下,最大路面弯沉为0.333 mm。这与实际情况相符。
2.3 土工格栅对沥青路面的影响分析
为分析土工格栅在路面结构内所起的作用,可将有无土工格栅以及不同G-AC层模量时轮载中轴处的结构层内应力与位移进行对比。图4为层底拉应力σx(沿道路横向)的变化,其中曲线1代表不设土工格栅的应力情况,曲线2、3、4代表G-AC层模量分别为3 000、5 000、8 000 MPa时的应力情况。
从图4中可以看出:加入土工格栅后,结构层底面应力状况发生了较大变化。在不设格栅时,轮载中心处的结构层底面最大拉应力σx=0.093 2 MPa;铺设土工格栅后,当G-AC层模量为3 000变化到8 000 MPa时,结构层底面最大拉应力σx由0.088 3 MPa减小到0.083 0 MPa。可见随着土工格栅模量增大,结构层底部拉应力减小,压应力增大。同时,计算表明,设置土工格栅可使沥青面层的压应力减小,但幅度很小。
表1为不同土工格栅模量下路表最大弯沉,设置土工格栅后路表弯沉值也会减小,且土工格栅模量越大,路表弯沉值越小。
2.4 土工格栅铺设位置对沥青路面的影响分析
根据文献[1],对基层已经产生裂缝的路面结构,土工格栅铺设于基层顶可有效地改善路面结构的受力情况,是防治反射裂缝的有效途径。在基层未产生裂缝时使用土工格栅可以增加路面整体结构的承载能力,这时网格不一定铺筑在沥青面层与基层之间。
为了比较土工格栅铺设于不同位置时对结构层底拉应力及剪应力的影响,本文分别将格栅铺筑在上面层下、中面层下、上基层表面和上基层底部,对路面进行了分析(见表2)。
MPa
由表2可以看出,结构层中加筋后,除了格栅位于上面层下外,对于路面各层的拉应力值σx和剪应力值Tyz,土工格栅铺设在不同位置时并无太大变化;当在上面层下加土工格栅后,路表的拉应力值σx反而增大了,对路面起到了一定的不利作用,但是,剪应力Tyz最大值由0.358 MPa减小为0.207 MPa(减小了42.2%)。以上说明当布置合适时,土工格栅与路面材料的嵌锁咬合作用可以提供结构的抗剪切传荷能力,降低层间相对位移,有效防止沥青路面发生推移拥包而破坏。
3 结语
1)通过对轮载作用下土工格栅加筋沥青路面结构的仿真分析,绘出弯拉应力及弯沉变化图,揭示了加筋沥青路面结构中面层是受压的;基层、底基层层底是受拉的。整个路面结构中最大拉应力0.549 MPa位于路表轮轴中心,最大路面弯沉为0.333 mm。
2)铺加土工格栅后,在几乎不减小沥青面层压应力情况下,可以有效减小结构层底部拉应力,使路面结构层处于较为有利的应力状态。
3)设置土工格栅能够增加路面整体刚度,减小车辆荷载作用下的路表弯沉,且弯沉值随土工格栅模量增大而减小。
4)土工格栅设于不同层位对沥青层内的应力影响是不同的。分析表明土工格栅设置于沥青上面层底部时沥青层底部弯拉应力几乎不变,但剪应力显著减小,可以有效防止沥青路面发生推移拥包而破坏。
参考文献
玻璃纤维桩的临床应用观察 篇11
1 资料与方法
1.1 修复材料
Para Post Fiber Lux玻璃纤维桩、Para Core双重固化桩核树脂、Para Post Bond粘结预处理剂、铸造合金桩核、根管预备钻针、根面预备钻针、排龈线、排龈器。
1.2 病例选择
我院修复科2007年1月—2008年12月就诊的90例患者中, 男48例, 女42例, 年龄13岁~58岁, 平均年龄35.8岁。共162颗患牙, 采用玻璃纤维桩+树脂核+全瓷冠修复。
1.3 方法
1.3.1 修复治疗前检查及准备摄患牙根尖片显示完善的根管充填治疗, 冠折牙齿在龈上2 mm.
1.3.2 临床操作步骤
(1) 首先观察临床X线根尖片, 预计所需桩的长度并作标记, 使用预成钻与完成钻制备纤维桩空间; (2) 使用酸蚀剂酸蚀根管15 s, 冲洗吹干用纸尖干燥; (3) 使用黏合剂涂抹根管吹干, 用纸尖吸去多余黏合剂, 先固化10 s~20 s; (4) 纤维桩上涂黏合剂, 吹干, 先固化10 s; (5) 输送BISCO树脂水门汀至根管底, 放置纤维桩光固化40 s~60 s, 用车针切断纤维桩树脂核材料, 堆积并光固化, 形成桩核。
1.3.3 临床评价方法及观察指标
临床修复完成后进行首次复查, 以后每隔半年查1次, 并记录复查情况:牙龈炎性反应、牙龈边缘色泽、复诊检查桩核折断及根折情况。
2 牙冠的制作
对桩核进行牙体预备, 硅橡胶取模, 制作铸瓷全冠。嘱患者按时复诊。
3 疗效评定标准
良好:修复体完好、稳固, 唇面不透金属色, 邻接关系良好, 咀嚼功能良好;失败:牙根折裂, 冠桩松动, 脱落, 冠唇面透金属色。
4 结果
用纤维桩树脂核+全瓷冠修复162颗前牙残冠残根, 经1个月~3年的随访, 其中122颗患牙修复后未发现全瓷冠变色。成功88例, 失败2例, 成功率97.78%.
5 讨论
5.1 临床上牙体严重缺损和残根常见, 桩核修复技术是
保留患牙并恢复其功能的主要手段。Para Post Fiber Lux玻璃纤维桩具有强度高、色泽好、操作简便等优点而被广泛应用于口腔临床[1]。本组口腔门诊患者90例, 162颗患牙, 其中残冠121颗, 残根41颗。均经根管治疗, 无松动, 根尖区无阴影。选用Para Post Fiber Lux玻璃纤维桩、Para Post Bond粘结预处理剂、双重固化粘结树脂水门汀 (Para Post Cement) 、Para Core双重固化桩核树脂。牙体预备:对患牙进行常规根管预备, 深达根长2/3~3/4, 留4 mm~5 mm根尖封闭区, 横径约为牙体横径的1/3.根管桩粘结, 常规隔湿, 根据根管的粗细选择相应直径的Para Post Fiber成品玻璃纤维桩。用小毛刷将免冲洗Para Bond酸蚀剂涂布根管内壁30 s, 纸捻吸除多余部分, 气枪轻吹2 s使挥发性成分挥发;再用小毛刷将预处理剂涂布于根管内壁和玻璃纤维桩上30 s, 用纸捻吸除根管内多余部分, 同样用气枪轻吹2 s.调取适量Para Cement双固化粘结树脂水门汀充填在根管内, 纤维桩表面涂一层此水门汀后, 就位于根管内, 于根管口处去除多余水门汀, 各角度光照30 s固化根管口。于根管口处及管口外纤维桩上涂预处理剂, 通过光照, 用Para Core双重固化树脂塑成核, 再常规制作烤瓷冠。
5.2 本文中有5例患者是因不满牙冠唇面透金属色和颈
部牙龈变为暗灰色导致美观效果差, 而要求重新修复。有2例患者患牙全冠松动, 取下全冠后检查, 见桩核稳固无松动, 后在纤维树脂桩的基础上重新制作复合树脂核, 全冠修复后修复体固位良好, 随访观察至今仍无再次松动。因此, 玻璃纤维桩可很好地满足临床修复的要求, 临床应用效果满意。同时, 玻璃纤维桩其半透明性接近牙体的颜色可以提供满意的美学效果, 很适合进行全瓷修复, 并且其不具有金属腐蚀性, 不影响牙龈颜色。纤维桩与复合树脂粘结性好, 使用树脂材料形成桩核, 操作简便, 容易掌握, 可有效减少就诊时间及椅旁操作时间, 可以立即进行牙体预备和暂时修复体的制作, 减少患者的就诊次数, 并且价格低于目前的全瓷桩核;制作方法简单, 再加上其美观及抗折能力, 纤维桩表现出金属桩无法比拟的优越性。但因玻璃纤维桩在临床应用时间较短, 其修复后的远期疗效尚待进一步观察[2]。总之, 在进行玻璃纤维桩临床应用时要注意: (1) Para Post Fiber Lux玻璃纤维桩的色泽透明、美观, 更适合于前牙全瓷冠美容修复。 (2) 玻璃纤维占组成成分的60%, 并呈同一方向排列, 这样既强化了桩的结构, 同时也不会削弱桩的韧性。其抗压强度高达630 MPa, 抗曲强度为1 600 MPa, 其机械强度完全能够满足临床要求[3]。 (3) 玻璃纤维桩的弹性模量和牙本质很接近, 可防止牙根折裂, 保护牙体组织脚。 (4) 根管预备和去腐质时能保留更多牙体组织。 (5) 采用双重固化树脂粘结水门汀, 其外层经光照引发聚合链反应而固化, 而根管内深层水门汀经化学方式固化;纤维桩与粘结剂间形成化学粘结, 粘结剂与牙本质间形成微机械嵌合作用, 从而达到稳固密合的粘结效果。 (6) 一旦发生桩折断或根尖炎, 纤维桩较易去除, 利于再次修复和治疗。
参考文献
[1]Martinez-Insua A, da Silva L, Rilo B, et al.Comparison of the fracture resistance of pulpless teeth restored with a cast post and core or carbon-fiber post with a composite core[J].J Prosthet Dent, 1998, 80 (5) :530.
[2]刘肃, 周延民.全瓷冠修复材料的研究概况[J].中华医学美学美容杂志, 2005, 11 (2) :124.