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(guò)程省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械強(qiáng)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(jī)或無(wú)機(jī)增強(qiáng)劑對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，包括纖維增強(qiáng)樹脂(fiber-reinforced polymer，簡(jiǎn)稱FRP).目前，用于增強(qiáng)樹脂的無(wú)機(jī)纖維有玻璃纖維、碳纖維等[2-3]，而對(duì)玄武巖短纖維增強(qiáng)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(shí)，有著比玻璃纖維和碳纖維更強(qiáng)的黏合強(qiáng)度.研究表明，玄武巖短纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的拉伸強(qiáng)度與無(wú)堿玻璃纖維相當(dāng)，而拉伸模量則高出無(wú)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(qiáng)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(diǎn).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(qiáng)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(duì)復(fù)合材料抗拉性能和摩擦學(xué)性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

將環(huán)氧樹脂、固化劑和經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理的玄武巖短纖維按一定比例機(jī)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(diǎn)，采取一定的時(shí)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(jī)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(cè)試和摩擦磨損測(cè)試.

1.2 測(cè)試與表征

利用M350-5kN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試玄武巖短纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在M-2000型環(huán)-塊式摩擦磨損機(jī)上進(jìn)行.環(huán)的材料為高鉻鋼，玄武巖短纖維增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：載荷200 N，轉(zhuǎn)速400 r/min，運(yùn)行時(shí)間10 min.采用感量為0.1 mg 的分析天平測(cè)定試樣的磨損質(zhì)量損失，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為3組測(cè)試值的平均值，然后由磨損質(zhì)量損失與滑動(dòng)時(shí)間之比計(jì)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(jī)制.

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖短纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖1是復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度.隨著玄武巖短纖維含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(shí)，拉伸強(qiáng)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(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì).

2.2 玄武巖短纖維含量對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(shì).當(dāng)玄武巖短纖維含量約為8%時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最低值.在滾動(dòng)摩擦過(guò)程中，聚合物在固—固接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦力與聚合物本體試樣形變時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)度，與鋼對(duì)磨時(shí)，玄武巖短纖維可以起承載作用，同時(shí)也相對(duì)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(guò)多會(huì)造成其在樹脂中大量的團(tuán)聚，拉伸強(qiáng)度降低，耐磨性能也降低.

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

圖2 纖維含量對(duì)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(méi)有明顯的空隙或空洞，而且纖維之間沒(méi)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(shí)，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(qiáng)度下降的主要原因.

圖3 玄武巖短纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(shí)，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(shí)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(huì)導(dǎo)致裂紋的迅速擴(kuò)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(shí)摩擦副與環(huán)氧樹脂間的接觸部分轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)摩擦副與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(qiáng)作用，添加玄武巖短纖維提高了環(huán)氧樹脂的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)添加量為8%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(shí)，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)：

[1]黃志雄.熱固性樹脂復(fù)合材料及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007:133．

[2]左光漢,夏蘭舫，焦明華，等.改性環(huán)氧樹脂減摩復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性研究[J].固體潤(rùn)滑，1988,8(4):207-212.

[3]張金中.炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料加80鋼的摩擦學(xué)性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004,24(l):83-87.

[4]王飄鵬,張偉.玄武巖短纖維的性能與應(yīng)用[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2002,26(4):17-18.

[5]余鼎聲.玻璃纖維增強(qiáng)HDPE及其硅烷交聯(lián)改性研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.

[6]黃金貴,王琪.玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)及摩擦性能的研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1997,14(4):20-21.