小伙伴们有不少都是吃货，那么我们都知道，美味的菜肴里最不可缺少调味料就是盐，而浸润剂就像我们纤维复合材料行业盛宴中的盐，虽然用量很少，只占最终产品组成的0.2 -0.3%，但它会“对生产力和部件性能产生惊人的影响。”
在复合材料行业，纤维是一个重要的话题，但很少提及纤维浸润剂。然而，毫不夸张地说，浸润剂非常重要。没有它，纤维在处理和加工过程中很快就会磨损，而且阻碍与基体树脂结合。此外，浸润剂与改善机械性能相关，如抗拉强度和抗冲击性、抗疲劳和耐化学性，还能提升热稳定性和水解稳定性等等。
浸润剂最大的消费者是玻璃纤维制造商。根据斯特拉思克莱德大学(英国格拉斯哥)James L. Thomason教授介绍，每年全世界的玻璃纤维复合材料的产量达到近907万吨，玻璃纤维约占复合材料行业使用的所有纤维增强材料的95%。
PPG工业公司是世界上最大的玻璃纤维制造商之一。它使用硅砂(SiO2)和其它原材料一起在 1450°C的熔炉中熔化，通过成形漏板形成玻璃纤维。纤维长丝从漏板拉出后立即涂上浸润剂。“我们对直径约10-20μ的圆柱表面涂上约100 nm厚的浸润剂，拉丝的速度接近每小时100英里(160公里)，” PPG公司玻璃纤维科技副主管James C. Watson解释，“我们一天24小时，一周7天，一年365天都在生产，从未停止。”
“这是一个小小的挑战，”他打趣地说，指出浸润剂在使用后也必须保持在纤维上，并在玻璃纤维的所有后续制造过程中、客户的部件生产过程以及部件的生命周期结束时都要发挥其功能。他补充说，在整个复合材料中，浸润剂只占最终产品组成的0.2 -0.3%，但它会“对生产力和部件性能产生惊人的影响。”
What is Sizing？
Sizing分别被描述为涂层本身和涂层工艺。惠廷顿的塑料字典(CRC出版社1993年第三版)将后者定义为“应用一种材料填充表面的孔隙使其光滑，并减少对随后应用的胶粘剂或涂料的吸收；或者对表面进行修饰。”
现在，浸润剂化学家的主要目标首先是在加工过程中减少摩擦来保护纤维，并在部件制造过程中防止纤维断裂。其次，他们在复合材料部件的纤维和基体树脂之间提供一个相容的界面。具体来说，浸润剂在纤维/树脂界面之间传递应力。
“浸润剂控制玻璃和树脂之间的界面，因此，浸润剂配方的优化能够在玻璃纤维和树脂之间带来最佳的界面性能。良好的界面性能可以改善机械性能和加工性能。”玻璃纤维制造商欧文斯科宁战略营销部产品主管Christopher Skinner 解释说。
玻璃纤维浸润剂主要包括成膜剂（典型的化学物质类似于欲用基体树脂）和偶联剂，偶联剂基本上都是在复杂化学混合物中的有机硅烷，使无机玻璃纤维具有与有机树脂结合的能力。硅烷偶联剂作为引子，使成膜剂附着在纤维上并粘附聚合物基体。
差异化+最优化
Watson指出硅烷是玻璃纤维浸润剂化学家的主力。“但随着我们向前推进到更高的温度、更高的耐久性、更长的寿命、更好的疲劳性能和其他改进的性能，我们必须问自己是否有更好的有机硅烷分子可以带来这些可承受的属性——尽管它们总是更贵。”
现在，不存在通用的浸润剂——没有放之四海而皆准的配方，美国纤维浸润剂供应商麦可门公司纤维和复合材料全球营销经理Steve Bassetti说。“在浸润剂选择过程中需要理解几个关键变量，”他进一步说：“显然，一是纤维将加入什么样的树脂，是聚酯、环氧、聚丙烯、尼龙、聚芳醚酮或其它树脂。”
力联思公司(Aliancys AG，原帝斯曼复合材料公司)关键客户经理和团队领导Fausto Pellegrini说，例如，力联思正在研究浸润剂的优异浸润性和与新的无苯乙烯树脂的相容性。他解释说：“用于含有苯乙烯的热固性树脂的浸润剂配方在用于新的无苯乙烯树脂时经常表现不佳，这种新的树脂是基于甲基丙烯酸酯溶剂和衍生物”。
Bassetti说，第二个变量是将要使用的工艺，其中包括浸润剂是用于短切或连续纤维，还有成型方法，如模压片状模塑料(SMC)或纤维缠绕。
PPG公司的Watson说，“在过去的5到10年中有一个重要的趋势是不同种类的玻璃纤维成分有了很大的扩展，除了传统的E玻纤，还增加了更耐腐蚀的ECR玻纤和高模量玻纤。” 因此，浸润剂产品也日益增加，随着玻璃成分的变化和相应的纤维表面的变化，使浸润剂与耐腐蚀、低硼或无硼玻纤相容，例如风电叶片用的高模量玻纤。
Pellegrini说，力联思正在开发用于特殊在线浸湿工艺的浸润剂，如拉挤成型和纤维缠绕，旨在减少生产时间和工艺能耗。最后一个要点是，化学家们必须考虑部件的性能和安装的环境——汽车内饰、发动机舱或燃油系统部件、电子笔记本电脑部件、风电叶片或广阔市场中的其它应用。这也包括部件尺寸对浸润剂化学家们的挑战。Pellegrini说，基于低分子量环氧树脂配方的浸润剂多年来已经成功用于风电叶片和其他直接纱的应用领域。然而，风电叶片变得越来越长，为了提高风力发电机输出功率，需要在玻璃钢叶片中强调耐久性、刚度和抗疲劳强度。
Skinner指出，叶片制造商投资了“令人难以置信的资金”在一个75米长的叶片模具上。然后“他们把40多吨玻璃纤维加入模具并注入树脂。”有了如此多的资本投入到固定资产中，快速制造零件的能力是至关重要的。“所以浸润剂配方适应应用领域不断增加规模的能力是浸润剂创新的一个关键因素，”Skinner说。这里纤维/树脂的结合是关键。“所以我们研究界面科学来推动我们的产品的性能。”
行业要求纤维性能改进，需要特定的浸润剂，根据终端应用进行定制和优化。Bassetti解释并指出对于麦可门公司的浸润剂产品系列包括注册旗舰产品Hydrosize来说，由于树脂和纤维技术的进步趋于成熟，纤维界面变得更为关键。“当下的研究是针对特定的应用领域，”Bassetti举例说，聚丙烯供应商可能在寻找低VOC（挥发性有机化合物）的汽车内饰，尼龙供应商可能需要更高的耐水解性或更好的耐乙二醇性。
汽车内饰仪表板支撑梁、扶手框架和中心控制台支架等许多部件由使用了适用于终端应用的定制、优化浸润剂的玻璃纤维/聚丙烯制成。来源：麦可门 图片：思想库（摄影师 / Maudib）
Bassetti将这种趋势总结为一个词：专业化。
竞争+监管
Pellegrini将专业化趋势归因于全球市场的压力。对玻璃纤维的需求持续走高，但亚洲纤维供应商激烈的价格竞争一直是一个挑战的因素，使得知名的玻璃纤维制造商们专注于通过提高效率和生产力来降低成本。
“复合材料通常会有4-5%的年均增长，”欧文斯科宁的Skinner赞同道，这是基于复合材料显而易见地替代传统的木头和金属以达到减重和/或防腐蚀的目的，但他也指出他所谓的专业特性是指建筑材料所重视的特殊的持久性或审美性、吸声性或耐候性。
Skinner补充，欧盟的《化学品的注册、评估、授权和限制》（REGULATION concerning the Registration, Evaluation，Authorization and Restriction of Chemicals，简称REACH）法规加强对人体和环境的保护来抵御某些化学物质带来的风险，也推动了浸润剂的发展。不仅仅是在浸润剂中VOC含量低，也涉及高度专业化的化学物质用在浸润剂中以产生特定的影响。“REACH法规在化学物质标准的制订中起到作用，”Skinner指出。所以浸润剂化学家们面临的一大挑战是在遵守法规环境的条件下实现预期的效果。换言之，“我们如何继续创新同时应对企业社会责任？”
Pellegrini 指出在力联思减少环境影响的无VOC浸润剂配方的研发工作中，尤值一提的是成分符合欧洲关于食品接触部件新法规的浸润剂配方。
“我们看到汽车行业的需求越来越多，”麦可门全球行业经理Gilles LeMoigne指出， “麦可门的浸润剂设计目标是帮助汽车行业满足复合材料制造的最新规定。”这包括在浸润剂中含有少量或不含有挥发性有机化合物(VOCs)的目标，以及满足抗冲击或抗拉强度等特定目标。
浸润剂定制设计趋势的最前沿是热塑性复合材料。Bassetti坚称，任何复合材料特别是热塑性塑料，选用普通浸润剂时需要优化。“我们的任务又一次专注于界面和提高复合材料性能。”他说。
但他提醒，最新的热塑性塑料浸润剂仍处于研发和验证阶段，而且好的产品还不一定能够商业化。在这个舞台上，包括热固性塑料，他提醒我们麦可门正在研究不同应用的特殊浸润剂；长纤维热塑性塑料(LFT)使用聚酰胺(尼龙)和聚烯烃——主要是聚丙烯(PP)，主要用在汽车座椅靠背、货厢地板、车门模块和其他内部零件上。
Skinner认为选择树脂的总体趋势是从聚酯和乙烯基酯转向聚氨酯(PUR)——这是一族性能广泛的可能是热固性或热塑性的聚合物。“我预计有效地与PUR基体相互作用的能力会在未来变得更加重要，”Skinner说。
一个真正的浸润剂“热点”是汽车发动机舱的应用，在这个部位，高温和腐蚀性液体，如乙二醇(防冻)和其他热流体“对玻璃纤维的设计提出了严格的要求”，PPG的Watson说。“浸润剂设计会大量地提高性能，特别是耐高温和水解性能。“用在这种极端环境最好的树脂通常是热塑性树脂。主力是尼龙(聚酰胺)、PP和聚酯的热塑性变种，而聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)和聚芳基醚酮(PAEK)树脂的用量有限。
新兴技术也需要定制化并改进浸润剂以实现最好的界面功能，Bassetti补充道。例如，使用连续纤维或大长径比来为复合材料增加强度的新方法，即需要热塑性预浸料或有机片材(高强轻质的连续纤维增强热塑性塑料结构部件)和热塑性树脂传递模塑(RTM)的工艺，正在创造新机会来优化浸润剂和纤维/基体界面。麦可门正积极致力于浸润剂升级来满足这些技术进步的需求。
最新的浸润剂技术
化学品制造商赢创公司（Evonik）的几个部门提供硅烷和其他浸润剂成分，如分散剂和乳化剂。赢创将一部分力量投入到新的浸润剂系统和成分的研究中。配方最能够区分不同制造商的纤维产品，浸润剂是高度专利化的。“纤维浸润剂是纤维制造商的一大秘密，”赢创的界面和性能部门高级复合材料和轻质结构市场开发经理Stephan Sprenger说。所以值得注意的一个例外是，Sprenger透露他的团队正在做一些改进工作，将纳米硅(二氧化硅)微粒以<1wt/%的量添加到浸润剂中。
“当循环力作用于纤维增强复合材料或突然发生撞击，树脂基体会形成微裂纹，而且随着时间的推移，裂纹会沿着纤维贯穿基体。”Sprenger说。试验得出结论，通过在浸润剂中添加“小量级的含有纳米硅的环氧树脂水乳液”，可以显著提高玻纤和碳纤复合材料的韧性和抗疲劳性，Sprenger说。
单向纤维增强环氧树脂中的连续玻璃纤维和连续碳纤维在试验中增加了30-40%的抗疲劳性。Sprenger指出用于风能转换的叶片性能将大幅提高。
这种用作浸润剂成分的水乳液叫做Nanopox，它用在环氧树脂基体中进行了试验，Sprenger和他的团队正在研究将它用在不饱和聚酯和乙烯基酯树脂基体中。Sprenger认为Nanopox是浸润剂制造的一个真正的突破，只需要很少的额外成本。此外，它被认为可以用在任何热固性树脂中，但也许不适用热塑性树脂。
同样的纳米硅微粒也可以用来对基体树脂进行改造，这可以在汽车复合材料弹簧片等部件中实现更大的改进。但他也警告说：“基体改性是要付出代价的，它可能会相应影响制造工艺的速度。” Sprenger强调，将它添加到纤维浸润剂中是在成本关键的应用中提高综合性能的一种非常具有成本效益的方式，如风电叶片或批量生产的汽车零部件。
多年来，复合材料力争在汽车、飞机、建筑、管道和其他在当时适用混凝土、木材或金属的市场中获得立足点，浸润剂在纤维增强聚合物成功代替传统材料的过程中扮演着关键但经常被忽略的角色。但即使是在最成功的情况下，设计师、制造商和终端用户想要的远远超过一个替代品。他们希望纤维增强聚合物比传统材料拥有更高的强度、韧性和耐力。而且他们想要更快的生产率，而且这些都是更低的成本来实现。
纤维制造商、浸润剂化学家和配方设计师能否真正实现客户需要的性能和生产率的升级？他们清楚的意识这种需要，当然为迎接挑战做好了准备。浸润剂和纤维制造商正在与客户合作以满足他们的需求。他们将需求信息反馈给科学家，科学家们调整浸润剂的配方使专业化成为现实，发展专业定制和优化的浸润剂以满足行业的需求。
