聚氨酯上浆剂与玻璃纤维界面结合分子动力学研究

摘要： 上浆剂可以有效提高玻璃纤维的织造效率。文章选择阴离子水性聚氨酯作为上浆剂对玻璃纤维进行上浆，采用分子动力学模拟方法，从分子尺度解析聚氨酯/玻璃纤维界面作用机制。研究了三种常见硅烷偶联剂对聚氨酯/玻璃纤维界面的影响，并通过玻璃纤维力学性能实验进行了验证。模拟研究结果表明：界面中硅烷偶联剂能够提升聚氨酯上浆剂在玻璃纤维表面的界面结合能力，其中AWPU/KH570/GF模型的平均界面结合能最大（-191.488 kcal/mol），说明在KH570作用下，聚氨酯分子更容易与玻璃纤维表面形成优良的结合界面。实验结果表明：相较于其他两种硅烷偶联剂，KH570对提高聚氨酯上浆剂和玻璃纤维的界面结合性最佳，实验结果与模拟结论相符;通过单因素实验发现当AWPU质量分数为20%、KH570质量分数为4%时，玻璃纤维浆纱断裂强力和耐磨性能分别升高了5.6%和14.7%，并且集束性能最好。界面中硅烷偶联剂KH570显著增加了聚氨酯上浆剂/玻璃纤维的结合性能。

关键词： 玻璃纤维;聚氨酯;硅烷偶联剂;上浆剂;分子动力学;界面结合能

中图分类号： TQ171.77

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2024）08期数0043起始页码07篇页数

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2024.08期数.005（篇序）

收稿日期： 20240301;

修回日期： 20240624

基金项目： 江苏省自然科学基金项目（20200608）

作者简介： 宋嘉祁（1997），男，硕士研究生，研究方向为高性能纤维上浆剂。通信作者：朱博，副研究员，zzbb929@163.com。

聚氨酯是一种多功能的高分子材料，因其出色的弹性、柔韧性、耐磨性和手感柔软，广泛应用于泡沫塑料、弹性体、黏合剂、涂层、纤维和塑料等多个领域［1-3］。聚氨酯上浆剂作为一种改善纤维织造性能的材料［4］，主要分为水性聚氨酯上浆剂和溶剂型聚氨酯上浆剂两大类，前者采用水作为溶剂，对环境友好，环保绿色;后者则使用有机溶剂作为介质，易挥发，可能对环境和人体健康造成一定影响。阴离子水性聚氨酯（Anionic waterborne polyurethane，AWPU）凭借着其良好的亲玻璃性、耐水性、相容性、抗迁移性等优点，展现出其他水性聚氨酯所不可比拟的优异性能，是玻璃纤维上浆的优选浆料。

玻璃纤维（Glass fibre，GF）主要是通过将特定成分的玻璃经过高温熔融后高速拉伸成非常细小的纤维，其轻质、高强、耐腐蚀等优点，在增强塑料、绝缘材料、建筑材料等许多领域得到广泛应用［5-7］。然而，玻璃纤维自身存在性脆、刚度大、耐磨性能差等缺点［8］，在织造成形过程中容易磨损断裂，影响实际生产应用。聚氨酯上浆剂通过在玻璃纤维表面形成一层薄膜来提升机械和耐磨性能，使其具有更高的柔韧性和抗机械损伤能力［9-10］。相比于其他类型如聚醋酸乙烯酯、聚酯、聚烯烃、环氧树脂等成膜剂，聚氨酯具有优异的耐磨性、良好的弹性、高度的可定制性、优异的化学稳定性和良好的环境适应性等特点［11］，这些特点使得它与多种树脂具有良好的匹配性，并在提升玻璃纤维集束性能及减少单丝摩擦系数方面表现出色。

由于玻璃纤维与聚氨酯在物理化学属性上存在显著差异，为提升两者之间的结构黏结强度并避免界面破坏，采用硅烷偶联剂（Silane coupling agent，SCA）可以改善两者之间的黏合性能。有效地采用合适的聚合物成膜剂及偶联剂不仅可以防止纤维间摩擦损伤，还可以通过形成“分子桥”，增强无机玻璃纤维与有机聚合物基质之间的界面黏附力。因此，在文献［12-14］中指出，优秀的玻璃纤维上浆效果基本依赖于这两类物质的协同作用。但是，硅烷偶联剂的种类繁多，需要经过大量实验的筛选，这会花费许多人力物力的成本。分子动力学模拟的方法可以避免实验的繁琐和实验材料的浪费，能够快速有效地进行材料的筛选，因而在不同领域得到了广泛的应用。

本实验以水性聚氨酯为切入点，采用一种阴离子水性聚氨酯乳液作为玻璃纤维上浆剂主要成分，为加强上浆剂黏结作用，加入硅烷偶联剂组成上浆剂对玻璃纤维上浆，测试其浆纱（Sized glass fiber，SGF）强力、摩擦等各方面性能。目前，由

于实验条件的限制，研究工作主要集中于表面处理和上浆工艺对宏观性能的影响，很难对纳米尺度的微观作用机制进行研究，导致聚氨酯/偶联剂和玻璃纤维黏接界面的作用机制尚不清楚，因此通过分子动力学模拟研究玻璃纤维上浆工序具有较高的理论价值及重要的实际指导意义［15-18］。

1 实 验

1.1 材料和仪器

材料：γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）、γ-丙基三甲氧基硅烷（KH-570）（国药集团化学试剂有限公司）;阴离子水性聚氨酯（AWPU）（浙江道易新材料有限公司）;玻璃纤维（GF）（上海煜太新材料科技有限公司）。

仪器：GA392型单纱浆纱机（江阴市通源纺织机械有限公司）;AGS-X岛津电子拉伸试验仪（岛津企业管理有限公司）;LFY-109B纱线耐磨仪（山东省纺织科学研究院）;JN-01浆纱织造载荷模拟试验仪（江南大学（自制）研发）;SU1510扫描电子显微镜（日本日立株式会社）;78-1磁力搅拌器（东莞市景如量仪科技有限公司）;XY2000-1B电子天平（常州市幸运电子设备有限公司）;超景深显微镜（基恩士公司）。

在质量分数为20%的AWPU溶液中分别加入不同质量分数的硅烷偶联剂，放入磁力搅拌器搅拌20 min，形成稳定的上浆剂，然后置于单纱浆纱机浆槽中，开机后对玻璃纤维完成上浆。

1.2 分子动力学模拟

本研究采用Material Studio（MS软件）的Forcite模块进行分子动力学模拟和计算，对AWPU、GF和三种SCA进行分子与界面结构模拟（图1）。其中，图1（a）AWPU模型是由阴离子水性聚氨酯的重复单元聚合而成，聚合度P设置为10;然后分别构建了AWPU/KH550，AWPU/KH560和AWPU/KH570三种上浆剂系统模型，控制硅烷偶联剂数目为16，如图1（b）所示。GF是采用二氧化硅的非晶结构进行模拟，该结构是由二氧化硅晶体5 000 K和298 K温度下反复做三次分子动力学模拟而成，如图1（c）所示;图1（d）分别表示AWPU、AWPU/KH550、AWPU/KH560、AWPU/KH570与GF的界面模型。所有模型均进行几何优化、高温弛豫优化、退火处理优化和NVT优化，优化过程中均采用NVT系综、COMPASSⅡ力场，几何优化中迭代次数5 000，MD中总模拟时间500 ps，总步长500 000，每1 000步输出一次结果。

1.3 实验测试方法

采用不同上浆剂系统对玻璃纤维进行上浆，根据前期实验研究［19］，AWPU质量分数为20%时，上浆玻璃纤维力学性能及其集束性能较好，因此确定AWPU质量分数为20%。本文主要研究KH570质量分数对SGF性能影响，设定KH570质量分数分别为0%、2%、4%、6%、8%。

SEM：用SU1510扫描电子显微镜对SGF的微观表面进行观察，放大500倍数。

上浆率：采用称重法测SGF的上浆率。通过玻璃纤维原纱基本参数及其公定回潮率，计算原纱定长100 m质量G0。随后取样，分别将三组100 m的SGF，放入烘干箱里烘干至恒重后称重，记录浆纱质量G，计算上浆率。计算公式为：

S/%=G-G0G0×100（1）

式中：S表示SGF上浆率，%;G表示浆纱干燥质量，g;G0表示退浆干燥质量，g。

拉伸性能：通过AGS-X岛津电子拉伸试验机测试SGF断裂强力及伸长率。参数设置为加持距离250 mm，拉伸速度250 mm/min，调零校准，每组试样测试50次，取平均值。

耐磨性能：JN-01浆纱织造载荷模拟试验仪测试SGF的耐磨性能。每组测试10根，测试3组，取平均值。

集束性能：将不同SGF的一端夹紧在LFY-109B纱线耐磨仪器上然后通过砂纸（600目）和导杆，将另一端悬置并夹紧，砝码重量为25 g。耐磨仪器以120 r/min的转速驱动SGF在砂纸上来回摩擦50次，用超景深显微镜观察微观表面毛羽情况。

2 结果与分析

2.1 分子动力学模拟计算

2.1.1 氢 键

氢键是一种广泛存在于分子间或分子内的类似于静电相互作用的弱作用力。聚合物的氢键网络与其熔点、沸点、结构成型及内聚能密度等特性密切相关，而这些特性又对聚合物成膜过程产生重要影响［19］。

为研究SCA对AWPU分子内部氢键网络的影响，本研究统计并比较了AWPU、AWPU/KH550、AWPU/KH560和AWPU/KH570四种界面模型中AWPU/SCA复合体内部的平均氢键数量。采用标准几何标准（氢键距离≤3.2 ，键角≥90°）对分子动力学模拟轨迹中不同帧的氢键进行识别和计数，统计结果如图2所示。由图2可见，AWPU、AWPU/KH550、AWPU/KH560和AWPU/KH570四种体系的平均氢键数量分别为17.65、20.76、21.80和25.60。数据表明，SCA的引入会增强AWPU内部的氢键作用，其中KH570产生的促进效果最为显著。这是由于KH570与AWPU分子链节间存在较强的相互作用，从而使分子链节上的供体和受体基团以更有利的空间位置形成氢键，通过增强AWPU内部氢键网络从而提高其亲和力，有利于与GF形成更为紧密的界面结合。

2.1.2 界面结合能

界面结合能（Interface binding energy，Eint）是一种表示复合组分间相互作用强弱的参数，在微观理论中，其越大表示组分间的相互作用越强，形成的体系越稳定。上浆剂与玻璃纤维界面结合能是影响上浆性能的重要参数［20］。本研究分别对构建模型进行分子动力学模拟，系综为NVT，初始速度选为Random，温度取室温，力场设置为COMPASSⅡ，电荷设置为Use current，总模拟时间500 ps。通过比较平衡稳定后的Eint，来预测筛选出最佳的硅烷偶联剂。将界面模型中上层AWPU、AWPU/KH550、AWPU/KH560、AWPU/KH570整体定义为A，下层GF为B，EA是组合体中单独A的能量，EB是组合体中单独B的能量，EA-B是A-B组合体的总能量，Eint是EA-B去除EA和EB后剩余的能量。Eint绝对值越大，说明界面相互结合能越大，两者相互结合得更稳定。

由图3可见，AWPU/GF、AWPU/KH550/GF、AWPU/KH560/GF和AWPU/KH570/GF四种界面模型的Eint值均小于0，说明AWPU、AWPU/KH550、AWPU/KH560和AWPU/KH570均与GF相互吸附。其中，AWPU/KH570/GF体系的Eint绝对值整体最大，波动趋势位于其余三种体系之下，初步说明其界面结合最强。

为进一步确定不同体系间Eint差异，本研究对四种体系模型的200～500 ps内的界面结合能进行了对比分析，计算了相应体系的最大值、最小值和平均值，如表1所示。由表1数据对比发现，AWPU混合KH570上浆剂与玻璃纤维模型做分子动力学计算出的后300 ps中的最大、最小和平均界面结合能分别为-203.903、-176.835、-191.488 kcal/mol，其绝对值均大于其他三组，因此可以说明KH570能够最大程度增强AWPU与GF的界面结合作用。

2.1.3 分子动力学模拟与实验验证

为了验证分子动力学模拟预测结果的有效性，本研究分别配置AWPU、AWPU/KH550、AWPU/KH560、AWPU/KH570混合上浆剂，其中AWPU质量分数为20%，SCA均为2%。通过测试SGF的断裂强力及伸长率和耐磨性能来验证模拟实验结果，如表2所示。由表2数据表明，AWPU/KH570/GF的断裂强力及伸长率、耐磨次数均最大，实验与模拟结果一致，可以得出AWPU混合KH570上浆剂上浆玻璃纤维的效果最好，因此本实验选用KH570与AWPU组成混合组分上浆剂上浆玻璃纤维。

2.2 浆纱性能

2.2.1 SEM

通过SEM电子显微镜观察SGF的微观表面形貌，如图4所示。由图4（a）可以很明显观察到，在未加入KH570时，SGF0微观表面虽然表现的和其他组相差不大，但其微观表面会存在一点裂痕和凸点，这可能是缺少硅烷偶联剂导致上浆剂黏结能力略弱。由图4（b）（c）可以看出，随着KH570质量分数的不断增加，玻璃纤维表面越来越光滑。由图4（d）（e）可以看出，当KH570质量分数超过6%时，SGF表面会越来越粗糙，逐渐出现许多浆块，这可能是由于硅烷偶联剂过多导致的。综上所述，KH570质量分数为4%时，SGF的微观表面最佳。

2.2.2 上浆率

SGF上浆率测试结果如图5所示。由图5可知，KH570质量分数与玻璃纤维上浆率呈正比例关系，随着硅烷偶联剂KH570质量分数的增大，玻璃纤维上浆率随之增大;在KH570质量分数为4%时，上浆率达到21.4%，随着上浆剂中KH570质量分数继续增大，上浆率增幅逐渐缓慢。并且通过上述SEM图像显示，在KH570质量分数超过4%时，SGF表面开始一些浆块，变得越来越粗糙，这可能是KH570质量分数为4%时，此时上浆剂对玻璃纤维的包覆程度逐渐达到饱和。

2.2.3 拉伸性能

SGF拉伸性能测试如图6所示。由图6可知，在KH570质量分数不高于4%时，玻璃纤维的断裂强力及伸长率随着KH570质量分数的增加而提升。当KH570质量分数达到4%时，上浆的玻璃纤维断裂强力达到最大，为1 058.39 cN，与未加KH570上浆剂上浆玻璃纤维的断裂强力相比，提高了5.6%。当KH570质量分数高于4%，KH570过量，通过SEM图像可知，SGF表面出现浆块，表面不均匀，从而导致SGF容易脆断，导致上浆的玻璃纤维断裂强力及伸长率减小。因此，根据SGF拉伸性能测试结果，KH570最佳质量分数选择4%。

2.2.4 耐磨性能

由图7可知，SGF的耐磨性能和上述断裂强力与断裂伸长率的趋势类似。在KH570质量分数不高于4%时，玻璃纤维的耐磨性能随着KH570质量分数的上升而迅速提高。在KH570质量分数为4%时，SGF的耐磨性能达到最大，为159.7次，与未加KH570相比，增磨率为14.7%。当质量分数KH570超过4%时，SGF的耐磨性能开始逐渐减小，上述SEM表征结果显示，4%以上的KH570质量分数会导致SGF表面出现明显的团聚浆块现象，膜层结构变得粗糙不均。这可能是因为KH570与AWPU在玻璃纤维表面的配比失衡，随着上浆剂中KH570质量分数的越来越大，上浆玻璃纤维表面逐渐出现越来越多的KH570团聚，从而使得SGF耐磨性能逐渐减小。同上述断裂强力结果一致，KH570质量分数选择4%最为优良。

2.2.5 集束性能

图8为超景深显微镜观察到微观SGF摩擦50次数后的玻璃纤维表面情况。由图8（a）可以明显观察到，当未加KH570时，玻璃纤维摩擦50次后会开始出现一些磨损细丝情况;由图8（b）（c）可以看出，当KH570质量分数逐渐增加时，玻璃纤维表面磨损情况会越来越轻微;图8（d）中6%质量分数玻璃纤维表面磨损浆皮变多;图8（e）中质量分数上升后，磨损细丝情况加重，这很可能是当KH570质量分数过大时，导致玻璃纤维表面出现团聚物，使玻璃纤维表面变得更加粗糙，增大摩擦系数，从而引起的磨损细丝。从整体而言，质量分数4%的玻璃纤维的磨损细丝情况几乎没有，且磨损浆皮较少，说明该质量分数下玻璃纤维的集束性能最佳。由此得出4%质量分数KH570上浆剂上浆玻璃纤维的集束性能最好，与上述性能的结论一致。

综上所述，通过SEM图像、上浆率、断裂强力及伸长率、耐磨性能和集束性能测试结果，KH570的最佳质量分数为4%，能够实现上浆剂与玻璃纤维间最大程度的协同增效，获得综合力学性能的最佳表现。

3 结 论

为提高玻璃纤维的织造效率，本研究选择一种性能优良的AWPU上浆剂，并且采用分子动力学模拟方法来进一步研究AWPU与GF界面的作用机制，同时选择了三种常用SCA（KH550、KH560和KH570）对聚氨酯/玻璃纤维界面的影响，并通过玻璃纤维的力学性能实验对结果进行验证。模拟研究结果显示，SCA可以提高聚氨酯上浆剂与玻璃纤维的界面结合能。其中，AWPU/KH570/GF平均界面结合能最大为-191.488 kcal/mol，表明AWPU/KH570更容易与GF形成良好的结合界面。实验结果验证了模拟研究的结论，发现与其他两种硅烷偶联剂相比，KH570对提高聚氨酯上浆剂和玻璃纤维的界面结合性能效果最佳。

通过单因素实验发现，KH570质量分数为4%时，SGF断裂强度和耐磨性能最佳，分别为1 058.39 cN和159.7次，与未加KH570相比分别提高了5.6%和14.7%，同时还表现出最佳的集束性能。可以得出结论，KH570显著增强了聚氨酯上浆剂与玻璃纤维的结合性能，符合模拟实验结果。

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A study on molecular dynamics of the interfacial bond between polyurethane sizing agents and glass fibers

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

SONG Jiaqi1， WANG Feng2， WANG Kuang1， ZHUO Yan1， SUN Zhuangzhuang1， FU Yizheng3， ZHU Bo1

（1.College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China; 2.Zhejiang Daoyi New Materials Co.， Ltd.， Lishui 323000， China; 3.College of Materials Science and Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Glass fibers are widely used in reinforcement materials， insulation materials， building materials and other fields because of their advantages of light weight， high strength and corrosion resistance. However， glass fibers are easy to wear and break during the weaving process， which brings challenges to their practical production and application. Polyurethane can form a protective film on the surface of glass fiber due to its excellent elasticity， flexibility and wear resistance， which can improve its mechanical properties and wear resistance. The adhesion between glass fibers and polyurethane can be further improved by using suitable silane coupling agent. The interfacial bonding mechanism of anionic waterborne polyurethane （AWPU） and glass fibers （GFs） was investigated by molecular dynamics simulation and experimental verification. The effects of three common silane coupling agents on the interface bonding properties of polyurethane/glass fibers were studied， and the best sizing agent combination was selected to improve the overall properties of glass fibers.

In this study， AWPU was selected as the sizing agent， and the molecular mechanism of AWPU/GF interface was analyzed by molecular dynamics simulation method. Three common silane coupling agents （KH550， KH560 and KH570） were selected to simulate their performance in interface bonding， and experiments were designed to verify the simulation results. In the experiment， the mechanical properties of glass fibers under different coupling agent combinations were tested， including breaking strength and wear resistance. The simulation results showed that the three silane coupling agents could improve the interface binding ability of polyurethane slurry on the glass fiber surface， and the average interface binding energy of AWPU/KH570/GF model was the highest （-191.488 kcal/mol）. The experimental results are consistent with the simulation results， indicating that KH570 can improve the interface bonding property between polyurethane sizing agents and glass fibers to the greatest extent. In the single factor experiment， when the mass fraction of KH570 is 4%， the breaking strength and wear resistance of the sizing glass fiber are increased by 5.6% and 14.7%， respectively， compared with that without KH570， and the bunching performance is the best. It is found through molecular dynamics simulation and experimental verification that AWPU/KH570 is the best sizing agent combination. After further experimental optimization， the best sizing effect can be obtained when the mass fraction of AWPU and KH570 is 20% and 4%， respectively.

In this study， the effects of different silane coupling agents on the binding properties of PU/glass fiber interface are investigated by molecular dynamics simulation and experimental verification for the first time， and it is found that AWPU/KH570 is the best sizing agent combination. This research method is not only fast and efficient， but also reduces the waste of experimental materials， which has high theoretical value and practical guiding significance. Future studies can further optimize molecular dynamics simulation parameters and explore more types of silane coupling agents and polyurethane combinations. At the same time， it is necessary to expand the application range of the research results by combining with other high-performance fiber materials， so as to provide theoretical support and technical guidance for the development of new high-performance fiber materials.

Key words： glass fiber; polyurethane; silane coupling agent; sizing agent; molecular dynamics; interface binding energy