尹良舟，劉匯豐，王東偉，李言言，楊　莉

(安徽工程大學 紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000)

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界面改性對復合材料力學性能的影響

尹良舟，劉匯豐，王東偉，李言言，楊莉

(安徽工程大學 紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000)

摘要：為了研究不同界面改性方法對復合材料性能的影響，以玄武巖無緯布為增強體、硼酚醛樹脂為基體制備復合材料，分別用鹽酸和KH-560偶聯劑對復合材料的界面進行改性處理，分析不同的界面改性方法對復合材料力學性能的影響.實驗表明，KH-560改性有助于復合材料拉伸和彎曲性能的改善，但其復合材料的力學性能并不隨著KH-560用量的增加而無限增強，經鹽酸處理后的BF/BPR復合材料的力學性能沒有提高反而下降.

關鍵詞：玄武巖纖維；界面改性；偶聯劑；鹽酸；力學性能

玄武巖纖維(Basalt Fibre，BF)是以天然的玄武巖礦石為原料，在溫度高于1 500 ℃熔融后經鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維(直徑7~13 μm，長度60~100 mm)[1].玄武巖纖維原料來源廣、成本低、抗拉強度高、耐高溫、耐腐蝕、透波性能優(yōu)異，與碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維相比，玄武巖纖維還具有綠色無污染的特性.同時，在復合材料方面，玄武巖纖維與金屬、塑料、無機非金屬材料有良好的兼容性，可將其作為一種新型復合材料的增強體應用于航天航空、冶金化工、機械制造等領域[2-3].但玄武巖纖維表面光滑且呈化學惰性，與樹脂間的界面黏結效果不理想，極大地影響了其優(yōu)異性能的發(fā)揮，因而需要對其進行表面改性處理以改善復合材料的界面性能.

1實驗

1.1材料

連續(xù)玄武巖平紋布，面密度為260 g/㎡，四川航天拓鑫有限公司生產；硼酚醛樹脂，黃色固體，蚌埠市天宇耐高溫樹脂材料有限公司生產；偶聯劑KH-560，南京硅聯化工有限公司生產；脫模劑，上海樂瑞固化工有限公司生產；鹽酸(分析純，AR)，國藥集團化學試劑有限公司生產；無水乙醇(分析純，AR)，國藥集團化學試劑有限公司生產.

1.2主要儀器與設備

平板硫化機，湖州橡膠機械有限公司生產；電熱恒溫鼓風干燥箱，上海三發(fā)科學儀器有限公司生產；電子萬能試驗機，長春試驗機研究所生產；電子顯微鏡S-4800，日本日立有限公司生產；日本島津IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀；砂輪機；研磨皿；自制模具.

1.3試樣的制備

1.3.1玄武巖纖維的表面改性處理

用蒸餾水將鹽酸配制成濃度為0.5 mol/L，1 mol/L，1.5 mol/L和2 mol/L的鹽酸溶液，在常溫下處理玄武巖纖維織物試樣2 h，取出后沖洗去除織物表面殘留的鹽酸溶液，放入105 ℃的烘箱中干燥1 h，取出備用.

將無水乙醇與蒸餾水混合液作為溶劑配制硅烷偶聯劑，濃度分別為0.5%，1%，1.5%和2%，水解5 min，分別按照3∶10的浴比對增強體纖維織物進行浸漬，浸泡30 min后取出在室溫下自然晾干，然后置于120 ℃的烘箱中干燥1 h以備使用.

1.3.2復合材料的制備

將硼酚醛樹脂粉碎，用乙醇溶液配制成含膠量為50%的膠液，根據實驗方案將處理后的纖維布按一定比例浸漬于樹脂凝膠液中，置于通風處干燥1 d以上得到預浸布.將干燥好的預浸布切割成20 mm×180 mm的布塊，放入110～120 ℃烘箱中預烘30 min，取出并在自制模具中鋪層，采用層壓成型工藝制得連續(xù)玄武巖纖維增強硼酚醛樹脂基復合材料，復合工藝參數為熱壓溫度210 ℃、處理時間30 min、復合壓力7 MPa、自然冷卻[4].

1.4性能測試和表征

外觀形態(tài)及X射線能譜測試.采用S-4800型纖維掃描電子顯微鏡對處理前后的增強體表面的微觀形態(tài)進行觀察，同時對增強體表面進行X射線能譜測試，加速電壓為15 kV，測試在氮氣保護下進行.微觀結構分析采用日本島津IRP系列傅里葉紅外光譜儀，測試處理前后增強體表面的微觀結構，采用KBr壓片法進行測定，掃描范圍為0～4 000 cm-1.試驗條件為標準條件下，大氣溫度20 ℃，相對濕度65%.根據GB 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[5]和GB 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》[6]，在電子萬能試驗機上測試復合材料的彎曲性能和拉伸性能.

2結果與討論

2.1玄武巖纖維的形態(tài)表征

圖1是玄武巖纖維經改性前后的SEM電鏡圖.由圖1可知，未經處理的玄武巖纖維表面光滑；經鹽酸處理后的玄武巖纖維表面出現輕微的刻蝕現象，有斑點產生；被偶聯劑處理過的玄武巖纖維表面有明顯的涂層附著.

圖1　處理前后玄武巖纖維的SEM電鏡圖Fig.1　SEM photos of BF before and after modification

2.2改性前后的能譜分析

玄武巖纖維在表面改性處理后，微觀形態(tài)出現很大差異，對改性前后的玄武巖纖維進行了能譜分析，如圖2所示.

圖2　處理前后的玄武巖纖維表面能譜圖Fig.2　Surface energy spectrum diagram of BF before and after modification

從圖2可知，玄武巖纖維被鹽酸腐蝕后，Na，Mg，Al，Fe等金屬元素的相對含量減少，C和O元素的相對含量增加.金屬元素的相對含量減少是因為離子交換機制而被析出，被H+置換，但是酸蝕后的成分變化并不明顯.在被偶聯劑KH-560處理的玄武巖纖維表面主要檢測到C和O兩種元素，因為KH-560的分子式主要由C和O組成，說明BF的表面成功附著了KH-560偶聯劑.

圖3　改性前后的玄武巖纖維表面紅外光譜圖Fig.3　FTIR spectrum of BF before and after modification

2.3改性前后的紅外光譜分析

圖3為改性前后的玄武巖纖維表面紅外光譜圖.從圖中可知，處理前后樣品的紅外光譜圖基本相似，但是振動強度有所不同.3個樣品在指紋區(qū)870 cm-1處都有明顯的吸收峰，這是因為玄武巖纖維的主要成分是二氧化硅；經鹽酸改性后的樣品在1 630~1 800 cm-1處振動吸收峰明顯，這是因為用酸處理后的玄武巖在其纖維表面產生了較明顯的酸酐鍵.改性前的玄武巖纖維在3 500 cm-1處有明顯的吸收峰，經過偶聯劑處理后的纖維表面也在此處有明顯的吸收峰，而經過酸處理的纖維在此處的吸收峰基本消失，這說明經過酸處理后纖維表面的某些基團已經被破壞，與掃描電鏡結果一致.

2.4BF/BPR復合材料的拉伸性能測試

圖4和圖5分別為經鹽酸和偶聯劑改性后的復合材料的拉伸強度變化曲線.由圖4可以看出，經鹽酸處理后,復合材料的拉伸強度并沒有得到有效改善，反而呈下降趨勢，但其變化規(guī)律并不是呈線性變化的,而是波動變化.分析其原因，玄武巖纖維是一種典型的硅酸鹽纖維，當纖維與酸接觸后，特別是當酸的濃度較大時，纖維中部分堿金屬氧化物被酸中的氫離子置換出來，形成可溶性鹽溶于溶液中，使纖維表面產生溝槽.在刻蝕的過程中，刻蝕時間越長，刻蝕程度越高，BF表面的粗糙度越大.纖維表面粗糙度的增加利于增強體與基體之間的結合，但同時也大大影響了增強體纖維本身的強度，所以當玄武巖纖維強度的下降程度高于纖維表面的粗糙度對界面性能的影響時，復合材料的力學性能不但得不到提高，反而會下降.

圖4　經HCL處理的BF/BPR的拉伸強度Fig.4　Strength of BF/BPR after BF treated by HCL

圖5　經偶聯劑KH-560處理的BF/BPR的拉伸強度Fig.5　Strength of BF/BPR after BF treated by KH-560

由圖5可知，經偶聯劑處理后復合材料的拉伸強度有了明顯提高，且拉伸強度在一定范圍內會隨著偶聯劑含量的增加而線性增強，但增加的幅度逐漸降低.分析其原因，KH-560先在乙醇溶液中水解使其結構中的乙氧基(—OC2H5)被羥基(—OH)取代生成硅醇基,然后帶有硅醇基的偶聯劑脫水縮合形成了長鏈狀的偶聯劑層.纖維浸泡在偶聯劑溶液中時，纖維表面的羥基就與KH-560結構中新形成的硅醇基發(fā)生反應，脫水縮合在纖維表面形成了醚鍵.而KH-560中的環(huán)氧基可以和酚醛樹脂中的羥基發(fā)生反應生成化學鍵，有利于促進BF與樹脂的結合，從而增強了復合材料的力學性能.但當偶聯劑的濃度較大時，不會在增強體與基體之間形成均勻有效的偶聯劑層，這時復合材料的拉伸性能有所下降.

2.5BF/BPR復合材料的彎曲性能測試

圖6和圖7分別為經鹽酸和偶聯劑改性后復合材料的彎曲強度變化曲線.可以看出，界面經鹽酸處理后復合材料的彎曲強度并沒有得到明顯改善，反而經一定濃度的鹽酸處理后復合材料的拉伸強度呈下降趨勢，特別是當鹽酸濃度較大時，強度下降明顯.而經偶聯劑改性過的復合材料的彎曲強度有了明顯提高，彎曲強度隨偶聯劑濃度的增加而線性增強，但其增加的幅度逐漸降低，當達到一定值后，強度不再增加反而有所下降.

圖6　經HCL改性后BF/BPR的彎曲強度Fig.6　The tensile strength of BF/BPR treated by HCL

圖7　經偶聯劑KH-560改性后BF/BPR的彎曲強度Fig.7　The tensile strength of BF/BPR treated by KH-560

3結語

經偶聯劑改性后復合材料的力學性能有了明顯改善，在一定偶聯劑濃度范圍內，復合材料的力學性能隨偶聯劑濃度的增加而增強.經鹽酸處理后的復合材料因增強體纖維表面被刻蝕，力學性能并沒有得到明顯改善，反而會隨著鹽酸濃度的增加而明顯下降.

參考文獻：

[1]郭宗福，鐘智麗.玄武巖纖維/聚丙烯熱塑板拉伸性能的研究[J].玻璃纖維，2012(2)：34-38.

[2]吳佳林.連續(xù)玄武巖纖維的研究進展及應用[J].化纖與紡織技術，2012,41(3)：38-41.

[3]張俊華，李錦文，李傳校,等.連續(xù)玄武巖纖維平紋布增強硼酚醛樹脂基復合材料研究[J].工程塑料應用，2008，36(12)：17-19.

[4]樊在霞，張瑜，陳彥模.冷卻方式對GF/PP復合紗針織物復合材料基體結晶結構的影響[J].復合材料學報，2007,24(3)：52-58.

[5]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB 1447—2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2005.

[6]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB 1449—2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2005.

Effect of interfacial modification on the mechanical properties of composites

YIN Liangzhou,LIU Huifeng,WANG Dongwei,LI Yanyan,YANG Li

(CollegeofTextilesandApparel,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China)

Abstract:In order to study the influence of different interface modification methods on composite material performance, basalt non-woven cloth is taken as reinforcement, boron phenolic resin composites as a matrix system, and is respectively treated with hydrochloric acid and KH-560 coupling agent on the interface of composite materials modified, and then different methods of interface modification on the properties of compound material mechanics are analyzed. The experimental results show that the KH-560 modification will help to improve the performance of composite materials tensile and bending, but its mechanical properties of the composites are not infinitely increased with the increase of the dosage of the KH-560, after acid treatment of BF/BPR the composite fails to improve the mechanical properties, but it was worse instead.

Key words:basalt fiber; interface modification; coupling agent; HCL; mechanical properties

通信作者：楊莉(1978-)，女，吉林和龍人，講師，主要研究方向為新型紡織材料與復合材料.E-mail:tianmaxingyang@sohu.com.

作者簡介：尹良舟(1990-)，男，安徽合肥人，本科生，主要研究方向為新型紡織材料與復合材料.

基金項目：安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(AH2013103633296)；地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201210363219)

收稿日期：2014-10-30

中圖分類號：TQ325.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-330X(2015)01-0005-04