纖維增強(qiáng)介孔SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究

劉蓬　焦劍　蔡宇

摘要：采用原位的溶膠-凝膠法，以烷氧基金屬化合物如正硅酸乙酯（TEOS）等作為硅源，制備SiO2/EP有機(jī)-無機(jī)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，無機(jī)相與有機(jī)相之間的均勻分散，起到質(zhì)點(diǎn)增強(qiáng)的作用，大幅度提高聚合物的物理力學(xué)性能。以上述的復(fù)合物作為基體樹脂，制備玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，研究了基體樹脂對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能和吸水性能的影響。

關(guān)鍵詞：納米二氧化硅；環(huán)氧樹脂；纖維增強(qiáng)材料；互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TQ327 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）07-0068-03

1 前言

介孔二氧化硅納米粒子具有孔材料和納米材料的雙重功能，在催化、吸附、分離、化學(xué)傳感和生物科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1～3]。雖然國內(nèi)外的許多研究組使用了不同的方法進(jìn)行嘗試，但是制備粒徑均一的、單分散的、尺寸可控的介孔二氧化硅納米粒子仍然是一大難點(diǎn)。硅基介孔材料是采用有機(jī)硅前驅(qū)體共縮聚的方法制備的介孔材料[4]。由于在制備時(shí)采用正硅酸乙酯（TEOS）或水玻璃（SS）等有機(jī)硅前驅(qū)體[5～7]，共縮聚形成的介孔骨架只有Si和O元素組成，所以其骨架為無機(jī)結(jié)構(gòu)。

由水玻璃和正硅酸乙酯制備了蠕蟲狀的MSU-J，選用凝膠時(shí)間較長的TETA固化劑體系，與環(huán)氧樹脂制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，形成有機(jī)-無機(jī)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使用相對規(guī)整的介孔SiO2對環(huán)氧樹脂有更好的增強(qiáng)增韌效果，并且較大且均勻分布的孔徑、比表面積以及三維連通的介孔孔道有利于聚合物在其中的充分填充，在提高聚合物的力學(xué)性能方面更為有益[8～11]。焦劍[12，13]等以正硅酸乙酯（TEOS）與氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）共聚縮合成一系列的氨基丙基修飾的蠕蟲狀介孔SiO2，發(fā)現(xiàn)其不僅對環(huán)氧樹脂有增強(qiáng)增韌的作用，而且隨APTES含量的提高，一部分氨基丙基進(jìn)入骨架中，介孔SiO2粒子顯示出一定柔性，介孔復(fù)合材料的斷裂韌性不斷上升，這說明介孔材料自身的機(jī)械性能對所制備的介孔復(fù)合材料的力學(xué)性能也有影響[14，15]。

本文中，SiO2/環(huán)氧樹脂雜化材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、光學(xué)性能。將其應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，并對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能和吸水性能進(jìn)行測試。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原材料

DYD/DYDH系列雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，工業(yè)級，大連齊化化工有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），工業(yè)品，南京曙光化工集團(tuán)有限公司；正硅酸乙酯（TEOS），分析純，天津市大茂化學(xué)儀器供應(yīng)站；TETA固化劑，化學(xué)純，天津市化學(xué)試劑六廠；固化促進(jìn)劑2，4，6-三（二甲氨基甲基）苯酚（DMP-30），工業(yè)品，嘉興市精化化工有限公司；無水乙醇、丙酮，分析純，西安三浦精細(xì)化工廠。

2.2 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

1）力學(xué)性能

拉伸性能：按GB/T 2568—1995用電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測試試樣，記錄拉斷讀數(shù)，按式（1）（3）計(jì)算：

其中：σt為拉伸強(qiáng)度；P為破壞載荷；b為試樣寬度；h為試樣厚度。

其中：Et為拉伸彈性模量；L0為測量標(biāo)距；ΔP為載荷-變形曲線上初始直線段的載荷增量；ΔL為與載荷增量ΔP對應(yīng)的標(biāo)距L0內(nèi)的變形增量。

其中：εt為試樣拉伸破壞時(shí)的伸長率；ΔLb為試樣破壞時(shí)標(biāo)距L0內(nèi)的伸長量。

2）吸水性能

按GB/T 1462—2005測試。用電子天平分別稱量3次試樣質(zhì)量，按式（4）計(jì)算：

Ma=M2-M3 （4）

其中：Ma為試樣的絕對吸水量；M2為試樣浸水后的質(zhì)量；M3為試樣浸水再干燥后的質(zhì)量。

若M3大于M1，絕對吸水量按式（5）計(jì)算：

Ma=M2-M1 （5）

其中：Ma為試樣的絕對吸水量；M2為試樣浸水后的質(zhì)量；M1為試樣浸水前的質(zhì)量。

2.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備

在TETA固化體系下，將玻璃布裁剪為30 cm×30 cm的正方形。在包有硅油紙的玻璃板上，以樹脂與TETA溶液為膠體，手糊12層（厚度大于2 mm）。在室溫下固化24 h獲得成型雜化材料，將雜化材料從玻璃板上取下，按照要求切割尺寸。測量不同組分樹脂制成玻璃鋼的含水性能，以及不同組分玻璃鋼的拉伸性能等。纖維增強(qiáng)材料的配方見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能

表2為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)TEOS用量增多時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率最大，而材料的拉伸彈性模量相對較??；當(dāng)TEOS的用量一定時(shí)，通過對第2組和第3組的比較，隨著KH-550的增多，材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和斷裂伸長率都會隨之增大。E-51樹脂在加入了TEOS與KH-550后，力學(xué)性能有了明顯的提高。

3.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的吸水性能

表3為SiO2/環(huán)氧樹脂纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的吸水性能。可以看出，當(dāng)KH-550用量一定時(shí)，吸水量無明顯變化，而當(dāng)KH-550用量增多時(shí)，用量越多，復(fù)合纖維增強(qiáng)材料的吸水性越低。

4 結(jié)論

綜上所述，對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，當(dāng)KH-550用量一定時(shí)，TEOS用量越多，材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率越大；當(dāng)TEOS用量一定時(shí)，隨著KH-550的用量增多，材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸彈性模量都會隨之增大。TEOS的用量對材料的吸水性不產(chǎn)生影響，但由于KH-550的加入使得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，材料的吸水性能變差。

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