浸润剂对玻璃纤维湿法毡工艺及性能的影响

      玻璃纤维湿法毡俗称玻璃纤维纸，顾名思义是采用湿法抄纸工艺生产而制得，其主要成分为质量分数70%～96%的短切玻璃纤维和4%～30%的粘结剂，其中玻璃纤维可以为无碱、中碱或高碱，短切后的长度从6mm到40mm不等，粘结剂一般采用乳液或水溶液形式的，可以为热塑性树脂或热固性树脂。
      湿法毡具有优异的沥青浸透性能、突出的耐久性、优良的尺寸稳定性、广泛的环境温度适宜性。目前国内外湿法毡主要以水拉丝为主。在欧美发达国家中，超过80%的防水卷材/片材使用湿法毡作为胎体材料，全球消耗量近百亿平方米。在国内，虽然有部分厂家引进国外设备、生产线，但国外公司对湿法毡技术的高度垄断，致使湿法毡生产一直停留在手工作坊式的生产状态，所得产品品质较低，品质难以与发达国家产品竞争，为此新型湿法毡的开发势在必行。
      本文从湿法毡浸润剂配方出发，分析不同种类偶联剂对玻璃纤维原丝以及对无碱玻璃纤维湿法毡性能的影响。
      1 实验
      1.1 原材料选择及浸润剂配方设计
      根据参考文献和实际操作经验，选择生产湿法毡的原料。粘结剂：改性氨基乳液，主要成分是三聚氰胺和脲醛树脂。浸润剂各组分及含量如表1所示。
              

1.2 浸润剂配制
       按配方用量，将各组分原料称重。搅拌下（慢速）将偶联剂分散在pH值为2～3的酸性水中，搅拌下检查体系的pH值，再用醋酸调至中性，继续搅拌到分散液清澈透明。再用温热水溶解润滑剂，搅拌至全溶为止。
      1.3 拉丝试验及集束性评价方法
       按配方配好浸润剂，在拉丝车间进行拉丝（1600孔漏板两分拉）、短切，观察玻璃纤维工艺性能，并测试玻璃纤维力学性能。
      集束性是指拉丝过程中玻璃纤维单丝经涂覆浸润剂后，相互粘结成玻璃纤维原丝时的粘结程度。其评价方法为：
      (1)随机取100根短切纤维。
      (2)用放大镜观察断口单丝化程度，分三级。1分：不分叉；2分：1-2个叉（含2个叉）；3分：3个叉以上（含3个叉）。
      (3)记录与计算（100个样加以平均），级别（分）：1，2，3。
      (4)纱样平均集束性P=（a×1+b×2+c×3）/100。
       其中a，b，c分别为各等级短切原丝的数量；P为纱样平均集束性，值越接近1，其集束性越好。
      1.4 湿法毡制作
      湿法毡的制造工艺与造纸工艺相似，故称之为湿法抄纸工艺，其主要流程可以分为以下五个工序：成形、浸胶、干燥固化、收卷、检验。
      1.5 无碱玻璃纤维湿法毡力学性能测试
      采用拉伸强力机测试湿法毡拉伸强度；织物撕裂仪测试撕裂强度。
      1.6 红外分析
      用Perkin-Elmer 577型红外分光光度计，采用溴化钾压片法，在400～4,000,cm范围内测定玻璃纤维湿法毡的红外吸收光谱。
      2 试验结果分析
      2.1 浸润剂对玻璃纤维拉丝工艺的影响
      按实验方案配制浸润剂，并现场拉丝，研究浸润剂对拉丝工艺影响。试验结果如表2。
         

结果分析：从拉丝工艺性能分析表可知，0号为未使用浸润剂时，玻璃纤维断头、毛丝多；使用浸润剂后，拉丝工艺明显改善，但集束性提高。原因是浸润剂中成膜剂分子有-CO基，-CO基有极强的吸附性和化学活性，增加了集束性，同时分子链中硬段分子链赋予其良好的耐磨性和硬挺性。
      2.2 偶联剂对湿法毡工艺及性能的影响
      将经过偶联剂处理的玻璃纤维，根据湿法毡工艺制作要求制备湿法毡（60,g），并对原丝的强度、在白水中的分散性和湿法毡的性能进行分析，实验结果如表3。
       

结果分析：从表3可以看出，经不同种类偶联剂的浸润剂处理后玻璃纤维原丝强度提高，与水拉丝相比分别提高0.07,N、0.06,N、0.08,N。从短切纤维在白水体系中的分散性可知，使用浸润剂后短切纤维在白水体系中的分散性改变，其中3号试样偶联剂（A1100）分散性较差。
      湿法毡力学性能测试结果：与水拉丝湿法毡力学性能相比，使用偶联剂A-174、A-187的湿法毡力学性能提高，而使用偶联剂A1100的湿法毡力学性能大大降低。
      分析其原因是，根据硅烷偶联剂(RnSiX4-n)机理得知，R基团为有机基团，作为活性基团是可与合成树脂作用形成化学键；X基团易水解，水解后能与玻璃纤维表面作用形成牢固的共价键。首先，不同的X基团，它的水解速度和聚合速度不同，这样影响了它与玻璃纤维表面的偶联效果。当X为-OCH3、-OC2H5时，其水解速度较慢，因此A-174、A-187、A-1100在水介质中对玻璃纤维进行处理时可以在其表面形成均匀的膜，但由于-OC2H5基团比-OCH3基团大，具有-OC2H5基团的A-1100在水中的溶解度和水解速度较慢，可能会使其力学性能降低。
      其次，R基团不同，其与之反应的树脂粘结剂的活性基团也不同。A-174中R基团为甲基丙烯酰基，在引发剂和促进剂的作用下，可与树脂粘结剂中的不饱和双键发生化学反应。A-187中R基团为环氧基团，既可与树脂粘结剂中的羟基反应，又可与树脂中的不饱和双键加成反应。因此A-174、A-187处理玻璃纤维提高了其与基体树脂的界面粘结强度，表现在湿法毡的拉伸、撕裂强度提高；而A1100处理的短切纤维在白水体系中很难分散，导致力学性能大幅降低。
      此外，硅烷偶联剂与粘结剂进行化学反应的同时，粘结剂本身也在起化学反应。若偶联剂与粘结剂的反应速度过慢，或粘结剂本身反应速度过快，则偶联剂与基体的反应几率就小。所以偶联剂的处理效果和其与粘结剂的化学反应速度有关，而偶联剂与粘结剂的反应速度同偶联剂中活性基团R的活性有关。从不同偶联剂对原丝强度和湿法毡性能的影响得出，偶联剂种类不同，对湿法毡力学性能影响不同。对于偶联剂浓度的选择有待于下一步研究。
      2.3 红外分析
      为了更好的研究浸润剂对玻璃纤维湿法毡力学性能的影响，我们对水处理及偶联剂（A-174）处理的湿法毡做了红外分析。
         
       结果分析从图中发现，水处理的湿法毡玻璃纤维与原丝红外曲线相似，而经偶联剂处理而加工的湿法毡样品经萃取后的玻纤屑红外光谱在1510cm的位置有一个明显的峰，通过文献可知此处对应的是改性树脂中的酰胺结构，这说明玻璃纤维与改性树脂的结合不仅仅是物理上的结合，同时也存在由浸润剂、玻璃纤维以及树脂粘结剂发生化学反应而产生的结合。这也从微观上解释了经浸润剂处理后湿法毡具有优良的力学性能。   

3 结论
       通过拉丝工艺实验表明，使用浸润剂后拉丝工艺得到改善。使用浸润剂后湿法毡力学性能得到提高，其中使用偶联剂A-174，效果最为明显。经甲酸萃取的湿法毡剩余玻璃纤维IR分析（红外光谱分析）得知，使用浸润剂后纤维与树脂粘结剂有良好的作用，从微观上解释了湿法毡使用浸润剂后力学性能的提高。