等離子體-硅烷偶聯(lián)劑改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的力學(xué)性能研究*

李翠玉 王林心 宋佳佳 崔月巖

1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387

芳綸是一種由苯環(huán)和酰胺鍵組成的新型合成纖維，其大分子鏈中至少有85%的酰胺鍵直接與苯環(huán)相連，具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高和耐高溫等優(yōu)異的性能，其可作為聚合物復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，已受到廣泛的關(guān)注[1-2]。如以芳綸織物作為增強(qiáng)體制備的復(fù)合材料，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。但芳綸表面缺乏化學(xué)活性基團(tuán)，故較難與樹(shù)脂基體形成有效的機(jī)械聯(lián)鎖，界面聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較弱，這將影響芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了其應(yīng)用[3-6]。因此，對(duì)芳綸纖維/織物進(jìn)行改性，改善芳綸纖維/織物與基體材料黏結(jié)不良的狀況，對(duì)提升芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能很有必要。

綜上可知，對(duì)芳綸纖維/織物進(jìn)行表面改性，可制備綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料。本文將選用氬氣等離子體和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅烷偶聯(lián)劑溶液對(duì)芳綸緯平針織物改性，以提高芳綸表面的活性，增強(qiáng)芳綸與樹(shù)脂間的黏結(jié)力；再采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型(VARTM)工藝制備未改性芳綸緯平針織復(fù)合材料及等離子體-硅烷偶聯(lián)劑改性芳綸緯平針織復(fù)合材料，通過(guò)測(cè)試未改性及改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能和沖擊性能，研究芳綸緯平針織物改性對(duì)其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用主要材料和試劑如表1所示。

表1 試驗(yàn)用主要材料及試劑

1.2 芳綸緯平針織物的制備

先使用DSTW-01 型數(shù)字式小樣并捻聯(lián)合機(jī)對(duì)芳綸長(zhǎng)絲進(jìn)行加捻，加捻參數(shù)如表2所示。

表2 加捻參數(shù)設(shè)計(jì)

再采用龍星牌LXC-252SCS型電腦橫機(jī)將加捻的芳綸長(zhǎng)絲織制成橫密為50縱行/(5 cm)、縱密為40橫列/(5 cm)、尺寸為30 cm×30 cm的芳綸緯平針織物。

1.3 芳綸緯平針織物的改性

改性過(guò)程主要分3個(gè)階段，分別為預(yù)處理、氬氣等離子體表面處理及硅烷偶聯(lián)劑處理。

1.3.1 預(yù)處理

先將芳綸緯平針織物浸沒(méi)在乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗，以去除纖維與織物表面的油污等雜質(zhì)。接著，取出織物，用去離子水洗滌干凈。最后，利用真空干燥箱烘干織物。

1.3.2 等離子體表面處理

對(duì)預(yù)處理得到的芳綸緯平針織物進(jìn)行等離子體處理，氬氣流速恒定為10 mL/min，處理時(shí)間為3 min。

1.3.3 硅烷偶聯(lián)劑處理

首先在室溫條件下，按照一定比例配置蒸餾水和無(wú)水乙醇的混合溶液，再采取外摻的方式向混合溶液中加入硅烷偶聯(lián)劑，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.5%、2.0%的硅烷偶聯(lián)劑溶液。接著，將配制好的硅烷偶聯(lián)劑溶液靜置水解。然后，將等離子體表面處理后的芳綸緯平針織物置于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅烷偶聯(lián)劑溶液中浸泡30 min。最后，去離子水清洗硅烷偶聯(lián)劑溶液處理后的芳綸緯平針織物，再放入鼓風(fēng)烘箱中烘干。

1.4 芳綸緯平針織復(fù)合材料的制備

本文將采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝，制備未改性芳綸緯平針織復(fù)合材料(1#)及等離子體-硅烷偶聯(lián)劑(w硅烷偶聯(lián)劑=1.0%、1.5%、2.0%)改性芳綸緯平針織復(fù)合材料(2#、3#、4#)，制備流程如圖1所示。其中，有研究[15]表明，采用垂直對(duì)稱鋪層方式制備的復(fù)合材料，能在縱橫方向上保持力學(xué)性能一致。因此，本文采用[0°/90°]4S即0°/90°/0°/90°/90°/0°/90°/0°的垂直對(duì)稱鋪層方式，共鋪設(shè)了8層芳綸緯平針織物；環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的質(zhì)量配比為100∶30，固化時(shí)間為24 h，環(huán)氧樹(shù)脂固化物的彈性模量為2.7～3.2 kN/m2；復(fù)合材料厚度為(3.9±0.1)mm。

圖1 芳綸緯平針織復(fù)合材料的制備過(guò)程

2 芳綸緯平針織復(fù)合材料性能測(cè)試

2.1 拉伸性能

參照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用Instron 3369型萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的拉伸性能。

測(cè)試樣如圖2所示，為啞鈴形長(zhǎng)塊。萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)的拉伸加載速率為2 mm/min。

圖2 拉伸性能測(cè)試樣尺寸(單位：mm)

2.2 彎曲性能

參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，利用Instron 3369型萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)，采用無(wú)約束支撐三點(diǎn)彎曲法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行彎曲性能測(cè)試(圖3)。試樣尺寸為80 mm×15 mm，每組試樣至少測(cè)5次，結(jié)果取平均值。

圖3 彎曲性能測(cè)試樣尺寸

2.3 壓縮性能

參照GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，利用Instron 3369型萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)，采用勻速加載的方式，沿試樣軸向進(jìn)行壓縮性能測(cè)試(圖4)。試樣長(zhǎng)寬尺寸為10 mm×10 mm。每組試樣至少測(cè)5次，結(jié)果取平均值。

圖4 壓縮性能測(cè)試

2.4 沖擊性能

參照ASTM D7136/D7136 M-15StandardTestMethodforMeasuringtheDamageResistanceofaFiber-ReinforcedPolymerMatrixCompositetoaDrop-WeightImpactEvent，利用Instron 9250HV沖擊試驗(yàn)機(jī)，采用落錘法進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。測(cè)試時(shí)，使用的不銹鋼制半球形沖頭直徑為12.5 mm，總沖擊質(zhì)量(包括沖擊器、十字頭和力傳感器)為 7.170 6 kg，沖擊能量為 35 J。儀器配置有防回落裝置，能避免沖擊頭對(duì)試樣的二次沖擊。測(cè)試樣長(zhǎng)寬尺寸為100 mm×150 mm。每組試樣至少測(cè) 3 次，結(jié)果取平均值。

3 測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 拉伸性能

圖5為本文制備的4種芳綸緯平針織復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。

圖5 芳綸緯平針織復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試結(jié)果

由圖5a)可以看出，與1#復(fù)合材料相比，改性芳綸緯平針織復(fù)合材料可承擔(dān)的最大拉伸載荷有所提高。其中，3#復(fù)合材料即等離子體-硅烷偶聯(lián)劑(w硅烷偶聯(lián)劑=1.5%)改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的最大拉伸載荷較1#復(fù)合材料的增加了32.73%，拉伸性能最佳。

進(jìn)一步分析圖5b)可知：拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始階段均表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，這與此時(shí)樹(shù)脂承擔(dān)著主要的拉伸載荷有關(guān)。隨著拉伸測(cè)試的繼續(xù)，1#復(fù)合材料因界面結(jié)合力較弱，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線很快出現(xiàn)了驟降。而2#、3#、4#復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率呈緩慢變化，這與芳綸織物表面經(jīng)氬氣等離子體改性后產(chǎn)生了很多自由基，纖維表面粗糙度提高，織物表面活性增加，以及自由基可以與硅烷偶聯(lián)劑中的非水解官能團(tuán)反應(yīng)，在芳綸表面形成硅烷膜有關(guān)。樹(shù)脂會(huì)與硅烷偶聯(lián)劑水解后產(chǎn)生的羥基相容，產(chǎn)生偶聯(lián)反應(yīng)，使得樹(shù)脂對(duì)芳綸織物的黏結(jié)力增大。但隨著硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芳綸表面硅烷膜的厚度會(huì)不斷增加，起初芳綸會(huì)因表面不均勻的凸起而使得與樹(shù)脂的摩擦力增加，但當(dāng)硅烷膜厚度值過(guò)大時(shí)，芳綸表面的包覆層將變得不牢固，易因外力而脫落，芳綸與樹(shù)脂的結(jié)合力受影響。這便是2#和3#復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率緩慢增加，4#復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率緩慢下降的原因所在。當(dāng)拉伸位移增加到一定值時(shí)，樹(shù)脂基體破損并無(wú)法繼續(xù)承受載荷，增強(qiáng)體開(kāi)始承擔(dān)主要的拉伸載荷并產(chǎn)生形變，直至復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)被破壞或產(chǎn)生斷裂，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為驟降。

3.2 彎曲性能

圖6為本文制備的4種芳綸緯平針織復(fù)合材料的彎曲性能測(cè)試結(jié)果。

由圖6a)可以看出：與1#復(fù)合材料相比，改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的最大彎曲載荷均有所增加。其中，3#復(fù)合材料的最大彎曲載荷較1#復(fù)合材料的提高了38.03%，彎曲性能優(yōu)異。

進(jìn)一步分析圖6b)可知：復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)始也都呈線性變化，此時(shí)的彎曲載荷主要由樹(shù)脂基體承擔(dān)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要發(fā)生形變；隨著彎曲載荷的增加，彎曲應(yīng)力達(dá)到一定程度后，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)開(kāi)始承受載荷，彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)變成非線性變化，直至彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值；之后，曲線會(huì)有輕微的波動(dòng)，這與失效前樹(shù)脂基體發(fā)生破裂有關(guān)。

圖6 芳綸緯平針織復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試結(jié)果

3.3 壓縮性能

圖7為本文制備的4種芳綸緯平針織復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試結(jié)果。

圖7 芳綸緯平針織復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試結(jié)果

由圖7可以看到：與1#復(fù)合材料相比，改性芳綸緯平針織復(fù)合材料能承受的最大壓縮載荷均有所增加，這與硅烷偶聯(lián)劑水解產(chǎn)生的活性官能團(tuán)和樹(shù)脂反應(yīng)，增加了界面黏結(jié)力，以及改性后芳綸表面包覆的硅烷膜增加了其表面粗糙度，增大了增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體間的摩擦力有關(guān)。其中，3#復(fù)合材料能承受的最大壓縮載荷最高，其較1#復(fù)合材料的提高了24.83%。

3.4 沖擊性能

圖8為本文制備的4種芳綸緯平針織復(fù)合材料的沖擊性能測(cè)試結(jié)果。

由圖8a)可以看出：4種芳綸緯平針織復(fù)合材料的沖擊載荷-時(shí)間曲線趨勢(shì)基本相同，都隨著時(shí)間的推移，沖擊載荷先逐漸增加，直至復(fù)合材料表面發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞(表現(xiàn)為韌性破壞)達(dá)到峰值，然后沖擊載荷下降。改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的最大沖擊載荷隨著處理的硅烷偶聯(lián)劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增后減。其中3#復(fù)合材料承受的最大沖擊載荷最高，其較1#復(fù)合材料的增加了35.10%。

圖8 芳綸緯平針織復(fù)合材料沖擊性能測(cè)試結(jié)果

由圖8b)可知：4種芳綸緯平針織復(fù)合材料吸收的沖擊能量-時(shí)間曲線走勢(shì)接近。其中，2#復(fù)合材料與1#復(fù)合材料對(duì)能量的吸收區(qū)別并不明顯，但隨著改性處理的硅烷偶聯(lián)劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3#和4#復(fù)合材料吸收的沖擊能量先增后減，但較1#復(fù)合材料的仍有所增加。

對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，4種芳綸緯平針織復(fù)合材料吸收沖擊能量大小順序依次為3#>4#>2#>1#。其中，3#復(fù)合材料吸收的沖擊能量比1#復(fù)合材料的增加了27.19%。

4 結(jié)論

本研究先采用等離子體聯(lián)合硅烷偶聯(lián)劑改性芳綸緯平針織物，再采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝制備了未改性芳綸緯平針織復(fù)合材料和3種改性芳綸緯平針織復(fù)合材料，并對(duì)4種芳綸緯平針織復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能和沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)：

(1)改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能和沖擊性能較未改性的芳綸緯平針織復(fù)合材料的都有所改善。

(2)隨著硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，改性芳綸緯平針織復(fù)合材料承受的最大拉伸載荷、最大彎曲載荷、最大壓縮載荷和最大沖擊載荷呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其中等離子體-硅烷偶聯(lián)劑(w硅烷偶聯(lián)劑=1.5%)改性芳綸緯平針織復(fù)合材料各項(xiàng)性能改善最明顯，其能承受的最大拉伸載荷、最大彎曲載荷、最大壓縮載荷和最大沖擊載荷較未改性芳綸緯平針織復(fù)合材料的分別提高了32.73%、38.03%、24.83%和35.10%。