玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究

劉 建，梁小平，王化平，李冬梅，左 蕊

(1.天津工業(yè)大學(xué) 中空纖維膜材料與膜過程省部共建國家重點實驗室培育基地，天津 300160；2.天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300160)

環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及不飽和聚酯樹脂被稱作三大通用型熱固性樹脂.由于環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的黏結(jié)性能、機械強度、電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性及耐高低溫性，已成為熱固性樹脂中用量最大、應(yīng)用最廣的品種.由于純環(huán)氧樹脂固化后成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，交聯(lián)密度高、內(nèi)應(yīng)力大、質(zhì)脆、抗沖擊韌性差，難以滿足日益發(fā)展的工程技術(shù)的要求，所以其應(yīng)用受到一定限制[1].因此，添加一些有機或無機增強劑對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性成為近年來的研究熱點，包括纖維增強樹脂(fiber-reinforced polymer，簡稱FRP).目前，用于增強樹脂的無機纖維有玻璃纖維、碳纖維等[2-3]，而對玄武巖短纖維增強樹脂性能的研究還很少.玄武巖短纖維作為一種新型纖維，具有優(yōu)于玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，當(dāng)它與各類樹脂復(fù)合時，有著比玻璃纖維和碳纖維更強的黏合強度.研究表明，玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂的拉伸強度與無堿玻璃纖維相當(dāng)，而拉伸模量則高出無堿玻璃纖維50%～70%，高出S-玻璃纖維93%，高出Aramid 纖維20%[4].因此，玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能以及使用方向都將成為新的研究熱點.本研究將玄武巖短纖維進(jìn)行偶聯(lián)劑處理，采用溶液共混法將其與環(huán)氧樹脂相復(fù)合制備玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，主要考察了玄武巖短纖維的含量對復(fù)合材料抗拉性能和摩擦學(xué)性能的影響.

1 實驗

1.1 實驗材料

將環(huán)氧樹脂、固化劑和經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的玄武巖短纖維按一定比例機械混合均勻，再將混料倒入涂有脫模劑的模具內(nèi)，逐步升高溫度到樹脂的軟化點，采取一定的時間保溫，繼續(xù)升高溫度到達(dá)樹脂的固化溫度后保溫.采用的固化機制為80 ℃/2 h+120 ℃/2 h，脫模后再在200 ℃下處理2 h.固化好的試樣切割成150 mm×20 mm×0.5 mm和6 mm×7 mm×30 mm的條形樣品分別用于拉伸性能測試和摩擦磨損測試.

1.2 測試與表征

利用M350-5kN型電子萬能試驗機測試玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強度，摩擦磨損實驗在M-2000型環(huán)-塊式摩擦磨損機上進(jìn)行.環(huán)的材料為高鉻鋼，玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料塊試樣尺寸為6 mm×30 mm ×6 mm.摩擦磨損實驗參數(shù)如下：載荷200 N，轉(zhuǎn)速400 r/min，運行時間10 min.采用感量為0.1 mg 的分析天平測定試樣的磨損質(zhì)量損失，實驗數(shù)據(jù)為3組測試值的平均值，然后由磨損質(zhì)量損失與滑動時間之比計算出磨損率.采用QUANTA200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損前后表面形貌，并分析其磨損機制.

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖短纖維含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖1是復(fù)合材料的拉伸強度隨玄武巖短纖維含量的變化曲線.從圖1中可以觀察到玄武巖短纖維的加入可以明顯提高環(huán)氧樹脂的拉伸強度.隨著玄武巖短纖維含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強度先增加后減少，當(dāng)玄武巖短纖維含量在8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，拉伸強度達(dá)到最大值，約為純環(huán)氧樹脂的2.5倍.當(dāng)玄武巖短纖維的含量超出8%時，復(fù)合材料的拉伸強度出現(xiàn)急劇下降的趨勢.

2.2 玄武巖短纖維含量對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

圖2為載荷為200 N條件下玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、磨損率與玄武巖短纖維含量的關(guān)系.由圖2可見，玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著玄武巖短纖維的加入呈現(xiàn)降低趨勢.當(dāng)玄武巖短纖維含量約為8%時，摩擦系數(shù)達(dá)到最低值.在滾動摩擦過程中，聚合物在固—固接觸時產(chǎn)生的摩擦力與聚合物本體試樣形變時的斷裂行為是密切相關(guān)的.粘著理論認(rèn)為，聚合物—不銹鋼的界面粘著非常牢固，剪切一般發(fā)生在聚合物基體上，而不發(fā)生在界面上，聚合物的整體強度決定了摩擦力的大小[5-6].加入玄武巖短纖維后，材料的整體強度增大，因而摩擦系數(shù)下降.從圖2中可以看出，當(dāng)玄武巖短纖維的含量為6%時，復(fù)合材料的磨損率最低，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性.在環(huán)氧樹脂中加入玄武巖短纖維后，提高了其拉伸強度，與鋼對磨時，玄武巖短纖維可以起承載作用，同時也相對束縛了環(huán)氧樹脂大分子的滑移，所以復(fù)合材料的耐磨性明顯提高.但是，玄武巖短纖維過多會造成其在樹脂中大量的團(tuán)聚，拉伸強度降低，耐磨性能也降低.

圖1 纖維含量對玄武巖短纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸強度的影響

圖2 纖維含量對玄武巖短纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損率的影響

2.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖3是玄武巖短纖維含量為6%和10%的復(fù)合材料斷面的掃描電鏡圖片.從圖3(a)可以看到，添加6%玄武巖短纖維的復(fù)合材料中纖維較好地分散在樹脂基體內(nèi)，玄武巖短纖維和環(huán)氧樹脂的結(jié)合良好，纖維周圍沒有明顯的空隙或空洞，而且纖維之間沒有團(tuán)聚現(xiàn)象.從圖3(b)中可以看出，當(dāng)玄武巖短纖維的含量為10%時，復(fù)合材料中的纖維分散不均勻，部分區(qū)域纖維團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，這是造成復(fù)合材料拉伸強度下降的主要原因.

圖3 玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷面SEM照片

圖4是添加了玄武巖短纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料磨損表面的SEM照片.純環(huán)氧樹脂在摩擦力的反復(fù)作用下，裂紋的發(fā)展是從表面層以下開始的，表現(xiàn)為非常嚴(yán)重的疲勞磨損，產(chǎn)生大塊材料的脫落，導(dǎo)致很高的磨損率.可見，環(huán)氧樹脂磨損表面較為粗糙，存在大量片狀與粒狀磨屑，其磨損機制主要是粘著磨損和疲勞剝落，見圖4(a).圖4(b～d)所示，當(dāng)玄武巖短纖維的含量較少時，主要是摩擦副與復(fù)合材料表面的環(huán)氧樹脂之間互相接觸，在摩擦力的作用下，環(huán)氧樹脂向摩擦副產(chǎn)生粘著轉(zhuǎn)移，所以這一階段復(fù)合材料主要呈現(xiàn)為粘著磨損.隨著樹脂基體的磨損剝落，復(fù)合材料表面開始凸凹不平，同時玄武巖短纖維暴露出一部分，承擔(dān)一定載荷.這一階段，疲勞裂紋也逐漸在復(fù)合材料中萌生，特別是在界面上的孔洞和縫隙部位，應(yīng)力集中會導(dǎo)致裂紋的迅速擴展.隨著玄武巖短纖維含量的增加，復(fù)合材料表層環(huán)氧樹脂磨損剝落，玄武巖短纖維承擔(dān)起載荷，此時摩擦副與環(huán)氧樹脂間的接觸部分轉(zhuǎn)變?yōu)閷δΣ粮迸c玄武巖短纖維間的接觸，所以基體的黏著磨損降低，逐漸轉(zhuǎn)變成磨粒磨損，如圖4(e～f)所示.

圖4 不同玄武巖短纖維含量的復(fù)合材料磨損表面SEM照片

3 結(jié)論

(1)由于玄武巖短纖維的增強作用，添加玄武巖短纖維提高了環(huán)氧樹脂的抗拉強度，當(dāng)添加量為8%時，復(fù)合材料的拉伸強度最大，約為純環(huán)氧樹脂的2.5倍.

(2)添加玄武巖短纖維可以降低環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)和磨損率，從而提高其耐磨性能.當(dāng)玄武巖短纖維的添加量為6%時，磨損率最小，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能.

參考文獻(xiàn)：

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