玻纖增強復(fù)合材料表面的預(yù)處理

玻纖增強復(fù)合材料表面的預(yù)處理

1界面層的制備纖維增強樹脂基材料是目前采用最成熟、應(yīng)用廣泛的材料。它具有良好的結(jié)構(gòu)性、絕緣性、抗腐蝕性和疲勞損失等優(yōu)點和低成本。由于玻璃纖維與樹脂基體之間的模量相差很大,且二者間不易潤濕,所以其復(fù)合材料界面結(jié)合較弱。為了充分發(fā)揮其承載作用,應(yīng)提高玻璃纖維與樹脂基體的相容性、浸潤性和反應(yīng)性,在纖維和基體間制備性能優(yōu)異的界面層。本文闡述了玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料界面改性研究近況,并討論了目前存在的主要問題及發(fā)展方向。2一般表面處理方法2.1不銹鋼纖維的清洗劉雄亞發(fā)現(xiàn)熱處理的最佳溫度為350℃,處理時間為6s,可除去玻璃纖維的吸附水或潤滑劑。Li等認為熱處理的最佳溫度為450℃,處理時間為1h,還應(yīng)將經(jīng)過熱處理的玻璃纖維在肥皂水中超聲清洗5min,并用蒸餾水清洗。熱處理法工藝簡單、實用,但是單獨使用效果欠佳。2.2堿處理對纖維材料力學(xué)性能的影響刻蝕處理是通過酸堿在纖維表面進行化學(xué)反應(yīng)形成一些凹陷或微孔,使玻璃纖維表面產(chǎn)生大量的Si—OH鍵,待纖維與基體復(fù)合時,一些高聚物的鏈段進入到空穴中,起到類似錨固作用,增加了玻璃纖維與聚合物界面之間的結(jié)合力,同時增加了玻璃纖維表面具有反應(yīng)性硅烷醇的數(shù)量,此種方法的最終處理效果主要與酸堿種類、濃度、處理時間和處理溫度有關(guān)。柳華實等將玻璃纖維在1mol/L鹽酸中浸泡30min后,用掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)玻璃纖維表面形成了少量微孔,處理后的纖維和石膏界面接觸緊密,玻璃纖維增強石膏復(fù)合材料抗折強度提高20%。孫文強等發(fā)現(xiàn)堿對玻璃纖維刻蝕作用強烈,難于控制,導(dǎo)致玻璃纖維強度明顯下降,但用堿處理后的玻璃纖維表面仍很光滑;稀HCl和稀H2SO4可以有效的增加其表面積,改善玻璃纖維表面的浸潤性。但是玻璃纖維在被酸堿刻蝕后,表面層遭到破壞,很容易造成應(yīng)力集中,使其自身強度有所下降。Tomao等發(fā)現(xiàn)將玻璃纖維置于20%的HCl中,100℃下處理6h后,可以在提高纖維表面羥基含量和纖維自身強度的下降之間得到最好的處理效果。從力學(xué)性能的角度來說,玻璃纖維酸堿刻蝕工藝不是一種有效的表面處理方法,但在增加玻璃纖維表面積和反應(yīng)性官能團數(shù)量方面具有顯著作用。2.3硅烷偶聯(lián)劑對復(fù)合材料界面特性的影響對于玻璃纖維增強熱固性樹脂或極性熱塑性樹脂復(fù)合材料,可采用偶聯(lián)劑對玻璃纖維進行表面處理,使樹脂與玻璃纖維表面形成化學(xué)鍵,從而獲得有效的界面粘結(jié)。Lee等采用RTM工藝并采用硅烷偶聯(lián)劑對玻璃纖維進行表面改性,測試和分析了玻璃纖維/UPR(不飽和聚脂)復(fù)合材料的孔隙含量和彎曲強度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),用硅烷偶聯(lián)劑γ-MPS[(-甲基丙烯酰氧基)丙基三甲基氧硅烷]處理玻璃纖維后,復(fù)合材料中的孔隙含量低于未處理過的復(fù)合材料。由于玻璃纖維表面和UPR界面結(jié)合力的提高以及在樹脂浸潤的過程中孔隙含量的減少,經(jīng)γ-MPS處理過的玻璃纖維增強的UPR樹脂復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量都高于未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的復(fù)合材料。Park等采用γ-氨氧丙基三乙氧基硅烷(APS)和γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(MPS)的不同濃度的溶液(質(zhì)量分數(shù)為0.1%~0.5%)處理玻璃纖維,并測量了UPR/玻璃纖維的層間剪切強度、臨界應(yīng)力強度因子以及經(jīng)硅氧烷處理過的玻璃纖維的接觸角。結(jié)果表明,經(jīng)硅氧烷處理過的玻璃纖維的表面自由能增加了。偶聯(lián)劑也提高了復(fù)合材料的層間剪切強度。用質(zhì)量分數(shù)為0.2%的MPS/APS處理的玻璃纖維復(fù)合材料的應(yīng)力強度因子達到最大值,約為3.98MPa/m2;當(dāng)繼續(xù)增加MPS/APS的濃度時,復(fù)合材料的力學(xué)性能降低,這主要是由于MPS上的CO和APS上的—NH之間的氫鍵的形成,說明玻璃纖維與偶聯(lián)劑之間的氫鍵發(fā)揮著重要的作用。對于玻璃纖維增強聚丙烯等非極性熱塑性樹脂復(fù)合材料,由于此類材料的分子鏈是飽和的和非極性的,不能與偶聯(lián)劑反應(yīng),很難獲得有效的界面粘接。目前以硅烷偶聯(lián)劑處理為基礎(chǔ)的方法主要有兩種:一是采用浸潤劑對玻璃纖維直接浸潤,浸潤劑中除了含有偶聯(lián)劑以外,還有聚合物成膜劑;二是對玻璃纖維表面進行接枝,先對玻璃纖維表面進行偶聯(lián)劑處理,然后引入過氧化物、功能化聚丙烯或者柔性橡膠層,該法具有很好的應(yīng)用價值。此外,向聚丙烯基體中添加功能化聚丙烯也可有效地提高界面粘接強度,所謂功能化聚丙烯是馬來酸酐或丙烯酸與聚丙烯的接枝共聚物,它可以為基體提供極性基團與偶聯(lián)劑形成化學(xué)鍵,從而提高復(fù)合材料的界面強度。張志謙等在聚丙烯基體中加入馬來酸酐接枝改性的聚丙烯,顯著提高了復(fù)合材料的界面強度。通過對比改性前后復(fù)合材料樣品的拉伸性能,結(jié)果表明基體中加入20%接枝聚丙烯,復(fù)合材料的拉伸強度提高了33%。易長海等利用FT-IR方法研究了經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維,結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維雖然表面能有所降低,但玻璃纖維表面產(chǎn)生與玻璃纖維有化學(xué)鍵合的活性官能團。Iglesias等發(fā)現(xiàn)在界面區(qū)內(nèi)互穿網(wǎng)絡(luò)的分子結(jié)構(gòu)對界面強度的提高貢獻最大,并證明了水解作用導(dǎo)致界面強度下降主要原因是由于界面上原有的Si—O—Si鍵水解造成的。Iglesias等研究了界面區(qū)的分子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系以及界面相疲勞損傷機理。硅烷偶聯(lián)劑在使用中易于自縮聚成硅氧烷低聚物,實際的利用率很低,一般只占偶聯(lián)劑總量的10%~20%,且與玻璃纖維表面的有效化學(xué)鍵合還極易水解。陳育如發(fā)現(xiàn)利用鋁酸酯偶聯(lián)劑對玻璃纖維的表面處理比用沃蘭(甲基丙稀酰氯化鉻絡(luò)合物)、硅烷偶聯(lián)劑處理的效果要好,其彎曲、拉伸強度、彎曲模量都高于后者處理的結(jié)果。硅烷偶聯(lián)劑與其他助劑一起使用,能夠顯著提高處理效果。Park等將MPS接枝到聚丁二烯主鏈上,可在玻璃纖維和MPS間形成硅氧鍵,同時在乙烯基酯樹脂和聚丁二烯之間化學(xué)鍵合。Lee等驗證了以上結(jié)論。Laura等采用了含有酸酐、環(huán)氧基和氨基的三種反應(yīng)型硅烷偶聯(lián)劑對玻璃纖維進行處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)體系中不含有增韌劑乙丙橡膠時,三種硅烷偶聯(lián)劑基本不起作用;當(dāng)增韌劑的質(zhì)量分數(shù)達到20%,含有酸酐的硅氧烷效果最好;復(fù)合材料的彈性模量與采用的偶聯(lián)劑種類無關(guān),而屈服極限和沖擊強度則與所使用的偶聯(lián)劑種類密切相關(guān)。3其他表面處理方法3.1界面剪切強度采用等離子體聚合技術(shù)改善玻璃纖維的浸潤性和表面粗糙度,但在提高復(fù)合材料強度的同時造成了其模量下降。V.Cech等發(fā)現(xiàn)分別經(jīng)氬等離子體和乙烯基三乙氧基硅烷(VTEO)處理的玻璃纖維增強聚酯復(fù)合材料的界面剪切強度基本一致,但低于單獨使用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(A-174)處理的IFSS70.8%;A-174處理后的玻璃纖維再經(jīng)氬等離子體處理,其復(fù)合材料的層間剪切強度下降了50%。李志軍發(fā)現(xiàn),等離子體會使玻璃纖維表面的官能團發(fā)生變化,并在纖維表面產(chǎn)生輕微刻蝕,提高了基體對玻璃纖維的浸潤狀況,復(fù)合材料界面黏合增強。采用等離子體處理的玻璃纖維,其復(fù)合材料力學(xué)性能比未處理的高2~3倍,還能改善耐濕熱穩(wěn)定性。3.2面結(jié)合力對復(fù)合材料拉伸性能的影響稀土元素通過化學(xué)鍵合與物理吸附被吸附到玻璃纖維表面并在靠近纖維表面產(chǎn)生畸變區(qū),吸附在玻璃纖維表面上的稀土元素改善了玻璃纖維與基體的界面結(jié)合力。但是過多的稀土元素,會減弱了界面結(jié)合力并導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸性能下降。程先華和薛玉君研究了SGS(含1.0%氨基硅烷偶聯(lián)劑SG-Si900的酒精溶液)、RES(含稀土元素0.1%~0.8%的酒精溶液)和SGS/RES(含1.0%SG-Si900和稀土元素的酒精溶液)三種表面改性劑處理玻璃纖維的最佳用量及其對玻璃纖維增強PTFE復(fù)合材料沖擊磨損和拉伸性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)RES比SGS/RES和SGS能夠更好地提高玻璃纖維與PTFE之間的界面結(jié)合力和提高復(fù)合材料的摩擦磨損性能,且當(dāng)稀土元素在表面