S型玻璃纤维复合材料的热性能研究

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摘要：本文以高强玻璃纤维编织布（S玻璃）为试验对象，利用热重差热分析仪对其热性能进行分析，得出该材料的差热和热重曲线。通过分析曲线得到其热解温度范围，对消防安全、材料等领域具有一定的指导意义。
关键词：玻璃纤维；DTA曲线；TG（DTG）曲线
1 研究背景
随着科技的发展，玻璃纤维复合材料已成为建筑、交通、电子、化工、环境保护、国防等行业必不可少的原材料。与传统有机纤维材料相比，该材料具有抗腐，隔热、隔音性好，抗拉强度高，电绝缘性好等特点，具有非常重要的研究意义。
1.1 玻璃纤维复合材料分类
依照玻璃纤维中的碱金属氧化物含量，通常分为无碱、中碱、高碱、耐碱、高强玻璃纤维等。其中，高强玻璃纤维又称S玻璃。这类玻璃纤维的拉伸强度高，弹性模量大，高温下拥有良好的强度保留率和疲劳强度，多用于制造复合材料高压容器。本文所讨论的玻璃纤维复合材料热性能是基于S高强玻璃纤维进行的。
1.2 国内外研究现状
目前国内外对于玻璃纤维的研究虽有很多，但大都集中于对玻璃纤维力学性能和制备工艺技术改良的研究，而对玻璃纤维热性能的研究还存在很多空白。玻璃纤维作为在建筑、桥梁、航空等重要领域中使用的复合材料，其热性能不容忽视。
1.3 本文研究内容
本文主要对S型玻璃纤维复合材料的热性能进行研究，利用岛津DTG60（H）差热热重同步分析仪对其热解性能进行分析，得到其差热热重曲线，并分析其在不同温度范围下，样本重量的变化情况。
2 试验部分
2.1 试验原理
TG与DTA的测量都需要热天平，热天平将电路和天平连接起来，通过控温仪使加热电炉按一定的升温速率升温（或恒温）。当被测试样发生质量变化时，光电传感器能够将质量变化直接转化为电讯号，其变化信息通过记录仪描绘出热重（TG）曲线。
2.2 样本制备
将试验样品磨成粉末状，用500目（直径）的筛子筛选。试样质量为20.853mg。初始温度为26.03℃，升温速率为10℃/min，温度范围：25～800℃，气体介质为空气。
样本的DTA、TG、DTG曲线图
3 结果分析
3.1 差热分析法
差热分析法（DTA）是在程序控制温度下，测量试样与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。通过分析差热曲线峰值，判定物质的吸放热。降低表现为吸热反应，升高表现为放热反应。
上图左为玻璃纤维复合材料的DTA曲线，热解过程共出现一个吸热峰和三个放热峰。当温升至300℃左右到达第一个放热峰，由于环氧树脂中的环氧基性质活泼，使得样本中的基体首先分解并放出热量。[1]温升至400℃左右时，环氧树脂剧烈燃烧，产生大量的可燃性气体，使玻璃纤维增强体达到软化温度，由固态经液态向气态转变。因此吸收热量，出现峰面积较小的吸热峰。温升至450℃到达第二个放热峰，环氧树脂继续分解放热。温升至550℃左右时到达第三个放热峰，环氧树脂基本完全分解，玻璃纤维达到分解温度开始分解。
3.2 热重分析法
热重分析法是样品在指定的升温速率下，研究其重量减少速率的一种分析方法。这种重量与温度变化关系的曲线称之为TG曲线。除此之外还可以绘出TG曲线的一次微分曲线即DTG曲线，通过分析DTG曲线图像，能更直观的找到质量与温度之间的变化规律。
3.2.1 TG曲线分析
图一中为玻璃纤维复合材料的TG曲线，由图可知TG曲线总体呈现下降趋势，共有三个失重阶段。在初始阶段室温～150℃之间以及加热后期650～800℃，试样质量减少不明显。当积聚的质量变化达到起始温度200℃，此后温度逐渐升高热量积聚，约在250℃时达到失重前基线的延长线与TG曲线拐点处切线的交点所对应的温度，即起始外推温度。由于基体中的环氧基性质活泼，因此从起始外推温度开始，环氧树脂开始热分解。而后温升至350～450℃，环氧树脂热分解速率加快，质量迅速减少。温度升至450～600℃，玻璃纤维开始分解，试样质量再次减少。随后温升至终止外推温度650℃时，试样质量变化趋于零。
3.2.2 DTG曲线分析
图一右为样本的DTG曲线。曲线上的峰值为失重速率最大值点，与TG曲线的拐点相对应。DTG曲线上的峰数与热重曲线的阶数相等，DTG曲线峰面积与试样的质量损失成正比，峰面积越大质量损失越多。由图象可知，DTG曲线出现三个波峰。由此推断样本的失重有三个阶段。当温升至300℃左右时，出现首峰。第一失重阶段为环氧树脂的热分解，这是因为环氧树脂的结构中有极为活泼的环氧基存在。当温升至350450℃之间时，主峰出现，峰形尖锐，到达第二失重阶段，此时为环氧树脂的剧烈热分解阶段，双酚A型环氧树脂的分子结构决定了其耐热性能较差。[2]当温升至550℃，玻璃纤维开始分解，此为第三失重阶段。此后温度继续上升，热分解基本结束。
4 结论
S型高强玻璃纤维的热解过程主要分为三个阶段，第一阶段在（250350℃）、第二階段在（350450℃）、第三阶段在（450600℃）。材料在第二阶段内的失重速率最快。第一与第二阶段，双酚A型环氧树脂作为主要热解物，第三阶段玻璃纤维为主要热解物，整个失重阶段变化幅度较大。
参考文献：
[1]陈镜泓.热分析及其应用[M].北京：科学出版社，1985.
[2]王德中.环氧树脂生产与应用[M].北京：化学工业出版社，2001，6.
作者简介：张家辉（1993），男，辽宁辽阳人，研究生在读，研究方向：安全科学与工程。