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        玄武巖纖維增強復合材料及其界面研究進展*

        2015-09-18 02:19:14
        建筑施工 2015年5期
        關(guān)鍵詞:基體力學性能樹脂

        上海建工集團工程研究總院 上海 201114

        0 引言

        纖維增強復合材料(Fiber-Reinforced Polymer,簡稱FRP)是單向纖維或者纖維布與樹脂復合而成的一種材料。FRP與傳統(tǒng)的鋼、鋁等金屬材料相比,具有高強重比、拉伸模量比和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能[1]。對FRP常用纖維中的玄武巖纖維(BF)及玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)的研究與應用尚處于探索階段。但BF以價格低廉,力學性能優(yōu)異吸引了工程材料研究人員的目光。

        BF是以玄武巖為原料,通過高溫熔融、高速拉直而成,與玻璃纖維(GF)制造工藝相似。BF的主要成分是氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化亞鐵、氧化鈣、氧化鎂等[2]。BF與GF相比,不僅具有更好的耐酸堿性、惡劣環(huán)境適應性,而且拉伸強度、彈性模量也基本相似,因此在FRP中可以用BF代替GF,使部分力學性能更優(yōu)異。在價格方面,BF與GF差不多,但與碳纖維(CF)相比具有絕對的優(yōu)勢(表1)。

        表1 纖維的性質(zhì)及價格

        BF最初作為一種高新纖維,主要應用于航空航天領(lǐng)域。后來由于技術(shù)進步、應用研究領(lǐng)域進一步擴大,目前BF及BFRP的民用主要集中在對建筑材料、構(gòu)件的增強及建筑的修復方面。在木結(jié)構(gòu)中的應用方面,北京林業(yè)大學致力于研究BFRP增強結(jié)構(gòu)用集成材(膠合木),在膠合、增強工藝及力學方面有了較大進展。其他研究單位也在BFRP增強木梁、連接節(jié)點、固件的修復方面進行了研究,并取得了一定的成果??梢灶A見,一旦BFRP增強技術(shù)成熟,其在木結(jié)構(gòu)中的應用將得到廣泛的應用。

        1 BFRP性能

        BFRP是纖維與樹脂的復合,其性能是由兩者的性能及結(jié)合強度決定的。南京某公司生產(chǎn)的乙烯酯基BFRP拉伸強度為934 MPa,而環(huán)氧樹脂基BFRP拉伸強度為1 202 MPa,樹脂基體不同,BFRP力學性能也會有差異。有研究表明,以環(huán)氧樹脂為基體時,BFRP的力學性能要優(yōu)于GFRP[3],并且在材料耐久性研究中,通過凍融實驗,BFRP、GFRP力學性能得到很好的保持,而CFRP的強度與彈性模量分別下降16%與18%。

        但是研究發(fā)現(xiàn)BFRP同樣也存在很多問題,例如南京某公司生產(chǎn)的乙烯酯基BFRP破壞表面經(jīng)電子掃描顯微鏡(SEM)表征分析(圖1a),可以看到BFRP中BF表面非常光滑,沒有被劃傷、破壞,纖維也沒有與樹脂發(fā)生粘連,破壞后甚至可以在兩者之間看到明顯縫隙,這表明玄武巖纖維與樹脂之間既沒有有效的物理機械結(jié)合,也沒有有效的化學鍵結(jié)合,即沒有形成有效的復合界面。在BF與大麻纖維增強環(huán)氧樹脂的SEM圖中(圖1b),破壞的斷裂面的大麻纖維與BF都幾乎沒有損傷,也就是說這2種纖維與樹脂之間都沒有有效的黏合,而是光滑接觸。同樣在BF增強乙烯基酯/環(huán)氧混合樹脂中,纖維在未添加助劑時,纖維與樹脂之間的結(jié)合為光滑結(jié)合,在SEM下觀察破壞的斷面,表現(xiàn)為纖維直接拉出并在基體上留有明顯的孔洞,而纖維表面幾乎沒有劃傷的痕跡[4]。

        圖1 BFRP破壞后的SEM照片

        綜上所述,我們可以看到影響B(tài)FRP的性能的問題,除了BF與樹脂本身特性外,歸根結(jié)底是纖維與基體間界面結(jié)合的問題,界面的結(jié)合方式與強度直接影響B(tài)FRP的力學性能,必須通過某些方法來增強纖維與基體間的界面結(jié)合,從而實現(xiàn)直接或間接地提高BFRP各方面性能的目的。

        2 界面研究

        復合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為三相: 基體相、增強相和界面相。在FRP中界面相是基體相與增強相接觸連接的部分,界面在復合材料中具有特別重要的意義,它不但是復合材料中增強相和基體相連接的紐帶,也是應力、應變傳遞的橋梁。界面的改善方式主要體現(xiàn)在2個方面,即纖維的處理及樹脂基體的改性。

        2.1 纖維的表面處理

        纖維的表面處理主要是通過化學或物理方法改變其表面狀態(tài),例如改變纖維表面粗糙度或者增加活性基團,使其與基體增加機械鎖合或化學鍵結(jié)合,增加纖維與基體間的連接強度,從而提高BFRP的整體強度。在BFRP中,纖維與樹脂界面改善最常用的處理方式是用偶聯(lián)劑處理纖維,通過對比常用硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560和KH570處理纖維的效果,發(fā)現(xiàn)KH550處理BF后對BFRP的增強效果最好[5]。同時用KH550處理纖維增強不同樹脂基體進行對比研究,發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量百分比的KH550處理BF對不同樹脂基體的BFRP強度有不同影響。例如,基體為環(huán)氧樹脂時,1.0%最佳;基體為酚醛樹脂時,0.8%最好[6]。

        偶聯(lián)劑處理纖維的原理是KH550分子鏈與纖維之間形成化學鍵的結(jié)合,鏈端再與樹脂結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而提高BFRP的強度。 除了偶聯(lián)劑外,其他處理方式也從改善纖維表面活性方面出發(fā)被用以處理BF。例如環(huán)氧硅烷與乙烯基硅烷[4]、大氣壓輝光放電、低溫等離子體等方法;通過這些方法的處理后,BFRP力學性能都顯著提高,SEM照片也顯示纖維與基體間形成了有效黏合,說明了這些方法的有效性。

        提高纖維與樹脂的結(jié)合強度除了改善纖維表面的活性,還可以提高表面粗糙度,從而提高纖維與樹脂間機械鎖合的強度;或者通過某些處理方法來提高纖維的自身強度,從而間接達到提高BFRP整體強度的目的。Manikandan V.,Jappes J. T.等[7]在室溫下研究了BF經(jīng)過氫氧化鈉與硫酸處理的增強不飽和聚酯復合材料,通過測試其抗張強度、內(nèi)部層間強度以及沖擊強度,發(fā)現(xiàn)BFRP明顯高于GFRP。SEM顯示破壞表面經(jīng)纖維表面處理后提高了纖維與基體的黏合強度。另外,鹽酸處理這種方法也被用來研究,可能是由于酸刻蝕破壞了BF的纖維結(jié)構(gòu),造成BFRP力學性能沒有明顯提高。而通過納米SiO2/環(huán)氧復合涂層對BF進行表面改性,發(fā)現(xiàn)BF的力學性能提高了15%,抗堿腐蝕能力提高了40%。此外,BF改性也提高了復合后BFRP的界面性能,其層間剪切強度提高了20%。

        不論是化學方法還是物理方法,對纖維表面進行處理都是為了提高纖維與樹脂之間的結(jié)合強度,從而提高BFRP的力學強度。纖維表面經(jīng)涂層處理后,與樹脂之間的結(jié)合強度還依賴于涂層與兩者之間的結(jié)合性,因此,在纖維與樹脂之間形成化學鍵的結(jié)合,是提高兩者結(jié)合強度的最佳方式。

        2.2 樹脂的處理

        提高BFRP強度的方法除了對BF的表面處理以外,還有對樹脂的改性與處理。這種方式適用于樹脂基體本身強度不高,或者某些力學性能指標較差的樹脂。例如大部分常見的熱塑性樹脂、聚乳酸等。樹脂的改性對于BFRP強度的提高主要依賴于改性樹脂的強度及其與纖維之間的物理結(jié)合強度的提高。

        常用的樹脂改性的方法主要是通過接枝或者加入助劑的方式。例如Botev M.,Betchev H.等[8]通過在聚丙烯樹脂(PP樹脂)上接枝馬來酸酐(圖2),使得短切纖維增強的PP樹脂的強度從27 MPa提高到35 MPa。Liu Tao,Yu Fengmei等[9]研究聚乳酸(PLA)添加了接枝馬來酸酐的聚氧化乙烯(POE-g-MAH)、三元乙丙橡膠(EPDM-g-MAH)與乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯(EAGMA)后,發(fā)現(xiàn)BF增強PLA復合材料的韌性增加,且比GF有更好的增強和增韌效果。同時EAGMA比POE-g-MAH和EPDM-g-MAH有更好的增韌效果。EAGMA的質(zhì)量百分比達到20%時, BF/PLA/EAGMA的沖擊強度增加到33.7 kJ/m2,相對于純的PLA增加71%。

        3 結(jié)語

        盡管對提高BFRP復合材料界面結(jié)合強度的方法已經(jīng)有許多,但都僅限于對纖維處理或樹脂改性。許多方法通過實驗證明了其有效性,但目前的研究仍有不足。并且由于界面存在的復雜性及技術(shù)條件所限,目前研究界面結(jié)合強度主要依靠間接測試BFRP層間剪切強度與SEM照片,雖在一定程度上說明了界面結(jié)合問題,但纖維與樹脂之間的結(jié)合強度并不易實際測定來表征兩者間結(jié)合的優(yōu)劣。因此如何通過更有效的手段來提高纖維增強強度,并用更有效的表征或者理論方式來研究仍是以后研究的重點[7-9]。

        圖2 接枝馬來酸酐的聚丙烯樹脂(PP樹脂)

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