偶聯(lián)劑對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

王新玲，陳自然

（1成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 成都 610000；2四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程系，四川 遂寧 629000）

偶聯(lián)劑對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

王新玲1，陳自然2

（1成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 成都 610000；2四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程系，四川 遂寧 629000）

在使用三種偶聯(lián)劑對玻璃纖維進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用手糊成型工藝制備了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料.并用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行力學(xué)性能測試，比較不同偶聯(lián)劑預(yù)處理和未處理的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸性能的差異.結(jié)果表明，偶聯(lián)劑A-151預(yù)處理法使抗拉強(qiáng)度提高最為顯著，提高了51.1%；鈦酸酯偶聯(lián)劑401使抗拉強(qiáng)度提高了47.5%，硅烷偶聯(lián)劑KH-550使抗拉強(qiáng)度提高了27.4%.

偶聯(lián)劑；玻璃纖維；手糊成型；環(huán)氧樹脂

玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高、剛性好、耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、加工成型簡便等特點(diǎn)，并具有材料可設(shè)計(jì)性及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，因而被廣泛用于航空、航天領(lǐng)域，如導(dǎo)彈彈頭和衛(wèi)星整流罩、宇宙飛船的放熱材料、飛行器的艦船殼體、翼片和螺旋槳[6-7]等.

界面的粘結(jié)性能是決定復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要因素之一[8-10].玻璃纖維的表面積是同質(zhì)量塊狀玻璃的千倍以上，例如直徑5.6～9μm的纖維，其比表面積可達(dá)0.2～0.55m2/g,比塊狀玻璃大1000～2000倍.如此大的比表面積必然影響到材料性質(zhì)以及它與其它材料之間的粘結(jié)性.另外玻璃纖維為無機(jī)表面，本身與樹脂親和性很差.為了改善玻璃纖維的表面性能，許多化學(xué)工作者做了大量細(xì)致的研究。研究結(jié)果顯示，偶聯(lián)劑可被用作玻璃纖維的表面處理劑以改善玻璃纖維的表面性能，實(shí)現(xiàn)無機(jī)物和有機(jī)物之間良好的界面結(jié)合，起到了一個(gè)橋梁的作用，因而選擇合適的偶聯(lián)劑對于玻璃纖維的應(yīng)用效果影響巨大.如I g l es ia s[11-13]等研究了經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的微觀界面結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系.本研究選用了三種不同的偶聯(lián)劑對玻璃纖維進(jìn)行預(yù)處理，著重探索了偶聯(lián)劑對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響.

1 實(shí)驗(yàn)及測試

1.1 原材料

玻璃纖維布(面密度138 g/m2,四川威遠(yuǎn)至誠新材料有限公司)；環(huán)氧樹脂(E-4675，昆山祥豐新復(fù)合材料有限公司)；固化劑(H-4073-3，昆山祥豐新復(fù)合材料有限公司)；乙醇溶液(G B10343-2008,江西草珊瑚消毒用品有限公司)；偶聯(lián)劑(K H-550，濟(jì)南興飛隆化工有限公司)；偶聯(lián)劑(A-151，廣州市守正化工科技有限公司)；鈦酸酯偶聯(lián)劑401(佛山市騏邦化工有限公司).

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫烘箱(O B-214X-C B F型，成都市大威工業(yè)爐制造有限公司)；復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)(HY-10080型，上海衡翼精密儀器有限公司)；真空泵(F Y-1H-N型，浙江飛越機(jī)電有限公司).

1.3 試樣制備

試樣的制備工藝過程如下圖所示：

玻璃纖維經(jīng)偶聯(lián)劑處理后于120℃,4h條件下干燥處理后，取出冷卻至室溫.裁剪成試樣件需要的尺寸，配置環(huán)氧樹脂膠液：樹脂和固化劑的比例為3:1，浸膠進(jìn)行手糊成型工藝，鋪10層玻璃纖維布后，打袋抽真空，60℃在烘箱里固化3h.取出試件修剪打磨，最后在樣件兩端粘貼鋁片，防止進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)脫落.

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，是根據(jù)A S T M D638-03美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，試樣形狀為I類型的骨頭狀，如圖1所示，測試速度為5mm/m in，每組試樣測試3個(gè)樣條，求得平均值.

圖1 拉伸試驗(yàn)件

拉伸強(qiáng)度按公式σt=F/A0計(jì)算，其中：σt為拉伸強(qiáng)度（M P a）;F為最大拉伸載荷（N）;A0為試樣橫截面積(mm2).

2 結(jié)果與討論

偶聯(lián)劑能夠改變無機(jī)物和高分子聚合物之間的界面能，并在界面之間形成化學(xué)或物理的“分子橋”使無機(jī)物玻璃纖維與有機(jī)物高分子聚合物牢固結(jié)合起來[14-15].表1所示為對拉伸試驗(yàn)件在復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)的測試結(jié)果；試驗(yàn)件的拉伸強(qiáng)度比較結(jié)果見圖2.

樹脂基體和增強(qiáng)材料之間的浸潤性越好，界面黏結(jié)強(qiáng)度越大，復(fù)合材料的力學(xué)性能就越好.由圖2可以看出，未處理的普通試件拉伸強(qiáng)度為100.86 M P a，而經(jīng)過K H-550處理的試件拉伸強(qiáng)度為128.48 M P,提高了27.4%；經(jīng)鈦酸酯401處理的試件拉伸強(qiáng)度為148.77M P a，提高了47.5%；經(jīng)過A-151處理的試件拉伸強(qiáng)度為152.35M P a，提高了51.1%.選擇硅烷偶聯(lián)劑A-151，對拉伸強(qiáng)度提高效果最明顯.大量研究發(fā)現(xiàn)[11-15]，玻璃纖維經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，玻纖表面產(chǎn)生與玻纖有化學(xué)鍵合的活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可與基體樹脂有很好的物理或化學(xué)結(jié)合，顯著提高纖維對樹脂的浸潤性能，增加了玻纖與聚合物之間的粘結(jié)力，并起到了傳遞應(yīng)力作用，同時(shí)它可修補(bǔ)及填平在拉絲過程中玻纖表面產(chǎn)生的微小裂紋，提高玻璃纖維的本身強(qiáng)度.

表1 試驗(yàn)件測試結(jié)果

圖2試驗(yàn)件拉伸強(qiáng)度比較

盡管偶聯(lián)劑既可提高樹脂基體和玻璃纖維之間的相容性，也能改善玻璃纖維和聚合物之間的界面情況，但偶聯(lián)劑的用量不能太多.這是因?yàn)榕悸?lián)劑用量過多，會使偶聯(lián)劑分子間發(fā)生縮水反應(yīng)，分子間不斷堆積，在玻璃纖維增強(qiáng)材料和基體材料之間形成一個(gè)弱界面層，從而影響復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度.因此只有在一定濃度下，才能在玻璃纖維的表面形成一層偶聯(lián)劑分子膜.

3 結(jié)論

本文使用硅烷偶聯(lián)劑K H-550、硅烷偶聯(lián)劑A-151、鈦酸酯偶聯(lián)劑401對玻璃纖維進(jìn)行預(yù)處理，采用手糊成型工藝制備了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料.并用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行力學(xué)性能測試，分析了不同預(yù)處理方法對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.

通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)和力學(xué)性能測試得出了以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)經(jīng)氨基硅烷K H-550處理的玻璃纖維布硬且硬度挺高.

(2)與未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維比較，偶聯(lián)劑處理后的玻璃纖維布厚度明顯增加，機(jī)械強(qiáng)度顯著提高.未處理的普通試件拉伸強(qiáng)度為100.86 M P a，而經(jīng)過K H-550處理的試件拉伸強(qiáng)度為128.48 M P,提高了27.4%；經(jīng)鈦酸酯401處理的試件拉伸強(qiáng)度為148.77M P a，提高了47.5%；經(jīng)過A-151處理的試件拉伸強(qiáng)度為152.35M P a，提高了51.1%.

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責(zé)任編輯：張隆輝

TB332

A

1672-2094（2017）02-0159-03

2017-02-20

王新玲（1978-），女，上海人，成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士.研究方向：復(fù)合材料工程技術(shù).