纤维增强型复合材料的润湿性

2024-11-11

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作者：Susanna Laurén，Biolin Scientific

单根纤维的接触角测量用于不同的工业领域，以表征纤维材料的附着力和润湿行为。纤维润湿性十分重要，例如在纺织工业中，当研究的纺织材料疏水时，或在化妆品中研究人类头发处理时，例如洗发水、着色剂等。当今最为广泛的应用之一是纤维增强型复合材料的生产。复合材料通常是不同纤维的混合物，如碳纤维、玻璃或芳纶（凯夫拉）和树脂。对于复合材料的机械性能，纤维与基体之间的附着力至关重要。

• 纤维的润湿性对于良好的附着力十分重要

增强型纤维的润湿性对于确保纤维与基体之间的良好附着力非常重要。如果润湿不完全，则可能存在界面缺陷，从而降低附着力。为了确保良好的润湿性，纤维的表面自由能要很高，从而降低纤维与聚合物间的接触角。高表面自由能通常表示表面上有更多的极性基团。因此，水接触角测量通常用于确定纤维的性能。水的接触角越低，纤维的表面自由能越高，附着力越好。

• 使用Wilhelmy板法测量纤维接触角

纤维的接触角通常使用Wilhelmy板法进行测量，也可以使用光学方法，因为增强型纤维的直径通常非常小（碳纤维的典型直径为7μm），因此需要高放大倍率的镜头才能完成测量，这十分具有挑战性。使用Wilhelmy板法测量通常更容易，尽管这种细纤维需要使用防震台。

在Wilhelmy板法中，纤维样品悬挂在力学法表面张力仪的天平上并与测试液体接触。张力仪测量液体在纤维上形成的前进角和后退角。当纤维与液体接触时，检测到作用在纤维上的力的变化，并且张力计将当前的位置记录为零浸入深度。当固体被推入液体时，质量的变化被记录下来，且可以检测到作用在固体上的力。张力仪计算并自动减去浮力和探头重量的影响。天平测量到的力便是润湿力。

下图显示了纤维的典型测量曲线。在A点，纤维接触液体表面。由于润湿长度较小，弯月面迅速形成，曲线中的力下限很快到达。从B到C的区域用于确定前进角，曲线是水平的，因为没有显著的附着力影响纤维。当样品过程开始向另一个方向移动（在C点）时，纤维被拉起并再次形成弯月面（从C点到D点）。从D点到A点的区域用于后退角的测定。

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