薛昊 徐燦 白天 程萬(wàn)里 韓廣萍 程海濤 王戈

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (國(guó)際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心)

“以塑代鋼”是材料輕量化的主要途徑之一，樹(shù)脂基復(fù)合材料優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量在汽車工程、航空航天等領(lǐng)域輕量化構(gòu)件的應(yīng)用中得到飛速發(fā)展。竹資源在世界范圍內(nèi)分布廣泛，被稱為“世界第二大森林”。中國(guó)是世界竹類資源最豐富的國(guó)家，擁有竹子40多屬500多種，竹種資源、竹林面積和蓄積量均居世界前列[1]。我國(guó)雖然是最大的竹資源擁有國(guó)，但竹材利用率仍然偏低，且其應(yīng)用領(lǐng)域有限。竹纖維具有輕質(zhì)高強(qiáng)、性價(jià)比高、可生物降解、可再生等一系列優(yōu)點(diǎn)[2-4]。因此，開(kāi)發(fā)高性能竹纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料既有利于促進(jìn)竹纖維高效率、全組分、多領(lǐng)域的利用[5-6]，又可滿足大型構(gòu)件輕量化的需求。

RTM是樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝的簡(jiǎn)稱，在近20 a得到了飛速發(fā)展，日本強(qiáng)化塑料協(xié)會(huì)將RTM工藝稱為兩大最有發(fā)展前途的工藝。其使用低黏度樹(shù)脂，加壓注射進(jìn)入閉合模具中，在一定時(shí)間內(nèi)使其完全、均勻地浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，并在可控時(shí)間內(nèi)使材料成型[4]。真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)也是RTM工藝的一種，具有效率高、能耗低、工藝靈活、組合性強(qiáng)、成型質(zhì)量高等諸多優(yōu)點(diǎn)[8-11]。將竹纖維的利用與RTM成型工藝相結(jié)合，可以低成本、高效率利用竹纖維，制備輕量化、高強(qiáng)度的復(fù)合材料。RTM工藝中樹(shù)脂注入是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其要求樹(shù)脂在一定溫度下具有低黏度、高流動(dòng)性的特點(diǎn)[11-15]。此外，常規(guī)RTM工藝注射壓力一般不高于1 MPa，在保證注射時(shí)間及樹(shù)脂與纖維結(jié)合良好的同時(shí)，也增加了注射工藝難度[16-18]。

復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)體、基體的比例和兩者的界面相容性高度相關(guān)。在一定范圍內(nèi)增加復(fù)合材料中的增強(qiáng)體含量可以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能[19]。良好的界面相容性可以有效地傳遞載荷并降低應(yīng)力集中，從而改善復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。在注塑過(guò)程中，樹(shù)脂和纖維之間良好的潤(rùn)濕性意味著樹(shù)脂可以完全和平滑地覆蓋纖維，這是獲得良好界面性能的先決條件之一[20]。樹(shù)脂或纖維的改性是改善復(fù)合材料的界面性能的常用方法。然而，諸如熱處理和堿處理的常規(guī)改性方法可能在增加界面粘合強(qiáng)度的同時(shí)損壞纖維本身[21]。硅烷偶聯(lián)劑處理在不損傷纖維的前提下可通過(guò)一側(cè)的水解性官能基與纖維發(fā)生反應(yīng)，另一側(cè)有機(jī)官能基則與樹(shù)脂形成化學(xué)鍵，進(jìn)而使纖維與樹(shù)脂之間的界面形成偶聯(lián)，提升其界面性能[22]。但過(guò)量的硅烷偶聯(lián)劑會(huì)降低纖維的表面能[23]，反而影響樹(shù)脂對(duì)纖維的潤(rùn)濕性。因此，適當(dāng)?shù)墓柰榕悸?lián)劑用量可在保證樹(shù)脂對(duì)纖維良好浸潤(rùn)性的同時(shí)，通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)一步提升復(fù)合材料的界面性能。

本研究以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，竹纖維為增強(qiáng)材料，采用硅烷偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑作為改性劑，并結(jié)合VARTM制備竹纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，旨在不損傷增強(qiáng)體竹纖維本身強(qiáng)度的前提下，對(duì)基體環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性處理，以提高竹纖維與環(huán)氧樹(shù)脂間的界面相容性，達(dá)到低成本、高效率制備強(qiáng)重比高、力學(xué)強(qiáng)度好的竹纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的目的，為在汽車領(lǐng)域、航天領(lǐng)域普及應(yīng)用竹纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 材料與方法

1.1 原材料及試劑

竹纖維由福建海波斯有限公司生產(chǎn)(海波斯3號(hào))，竹纖維平均長(zhǎng)度為10.26 cm、平均直徑為257.86 μm、表面粗糙度為0.24 μm；纖維水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.76%、膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.96%、苯醇提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.73%、果膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.46%、半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.13%、纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.83%、木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.62%。圖1為竹纖維表面形態(tài)圖。環(huán)氧樹(shù)脂：E-51，南通星辰合成材料有限公司；固化劑：液態(tài)甲基四氫苯JHB-591A，大連金世光電材料有限公司；促進(jìn)劑：咪唑2101CN，滁州惠盛電子材料有限公司；偶聯(lián)劑：KH550，耀華化學(xué)試劑公司；潤(rùn)濕劑：畢克358N，畢克助劑有限公司。

1.2 改性環(huán)氧樹(shù)脂體系的制備

取一定量環(huán)氧樹(shù)脂E51、質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%咪唑2101CN(促進(jìn)劑)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%液態(tài)甲基四氫苯JHB-591A(固化劑)均勻混合。其間加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)偶聯(lián)劑/潤(rùn)濕劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，其中硅烷偶聯(lián)劑KH550的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1%、3%、5%；潤(rùn)濕劑畢克358N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。添加先后順序?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂E51、促進(jìn)劑、改性劑(潤(rùn)濕劑/偶聯(lián)劑)、固化劑。配置完成后靜置30 min，隨后將改性后的環(huán)氧樹(shù)脂體系加入至料罐，溫度40 ℃下加熱1 h。改性環(huán)氧樹(shù)脂和復(fù)合材料的編號(hào)如表1所示。

表1 改性環(huán)氧樹(shù)脂及BF-EP復(fù)合材料編號(hào)

1.3 BF-EP復(fù)合材料的VARTM工藝

將竹纖維放入烘箱中，在溫度85 ℃下干燥至絕干質(zhì)量后取出，并放入密封袋密封備用；分別將180、200、220、240、260、280 g竹纖維(所對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.1%、23.5%、27.2%、30.3%、40.0%、41.7%)均勻鋪裝于冷壓機(jī)(SY01型，上海板機(jī)裝備技術(shù)有限公司，參數(shù)為壓力10 MPa，溫度為室溫)內(nèi)并壓至尺寸為350 mm×350 mm×4 mm，12 h后將預(yù)成型體放入VARTM設(shè)備(定制，北京鴻鵠雄獅技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，注射壓力0～1.0 MPa、真空度-0.1～0 MPa)；將VARTM模具及料罐的真空度調(diào)至-0.08 MPa，抽真空處理0.5 h，然后以0.5 MPa的注射壓力從料罐向模具中注入環(huán)氧樹(shù)脂體系；樹(shù)脂注射完成后，對(duì)模具加熱,依次在80 ℃下加熱1 h，100 ℃下加熱2 h，120 ℃下加熱1 h。模具自然冷卻后，陳放12 h，制得竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(尺寸為300 mm×300 mm×4 mm)。竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備流程如圖2所示。

1.4 性能測(cè)試和表征

采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(WDW3050，長(zhǎng)春科新實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，參照ASTM D-638標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料拉伸強(qiáng)度，試件尺寸為165 mm×19 mm×3.6 mm，加載速度為5 mm/min。參照ASTM D-790標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料彎曲性能，試件尺寸為115.2 mm×13 mm×3.6 mm，彎曲測(cè)試跨距為100 mm，加載速度為1 mm/min。采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(XJC-15W，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司)參照ASTM D-256標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，試件尺寸為63.5 mm×12.7 mm×3.6 mm。每組平行試驗(yàn)5個(gè)試樣，取其算數(shù)平均值為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用接觸角測(cè)量?jī)x(ANN101588，Biolin Scientific)測(cè)試偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑對(duì)樹(shù)脂體系表面張力的影響。采用SEM(JSM7500F，荷蘭飛利浦公司)觀察沖擊試件的斷口形貌。采用DMA檢測(cè)儀(Q800 V21.1 Build 51)對(duì)材料的動(dòng)態(tài)黏彈性進(jìn)行分析，試件尺寸為35 mm×12 mm×3.6 mm，恒定頻率1 Hz，測(cè)試溫度范圍為-30～200 ℃，升溫速率為3 ℃/min。采用傅里葉紅外光譜分析儀(Nicolet Magna IR 560，Madison，WI，USA)分析試件的表面特征，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1，每32次掃描測(cè)試試件兩次，并使用具有200個(gè)基點(diǎn)和5次迭代的“凹形橡皮筋算法”進(jìn)行基線校正。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)BF-EP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

本實(shí)驗(yàn)中竹纖維占BF-EP復(fù)合材料的竹纖維添加量分別為180、200、220、240、260、280 g，所對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.1%、23.5%、27.2%、30.3%、40.0%、41.7%。表2為BF-EP復(fù)合材料中纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律?？芍?，環(huán)氧樹(shù)脂基體中加入竹纖維可有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，且隨著纖維在材料中所占比重在一定范圍內(nèi)的增大，復(fù)合材料的力學(xué)性顯著提高。但在本實(shí)驗(yàn)的注射壓力、真空度、模具厚度等VARTM工藝參數(shù)的條件下，竹纖維在基體中達(dá)到一定比例后，繼續(xù)提升纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)使樹(shù)脂注射困難，從而導(dǎo)致纖維間樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)減少，甚至造成纖維間直接接觸，浸潤(rùn)效果變差，喪失界面載荷協(xié)同作用，反而使復(fù)合材料力學(xué)性能下降[16-18]。復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度均隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先升高后略有降低的規(guī)律，在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳，分別為52.74 MPa、131.41 J/m，較未填加竹纖維的樹(shù)脂澆注體分別提升98%，1073%。在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高，但在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、41.7%時(shí)有所下降。綜合而言，在本研究范圍內(nèi)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，BF-EP復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。

表2 纖維質(zhì)分?jǐn)?shù)對(duì)BF-EP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2 改性處理對(duì)BF-EP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

單純提升纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從而提升BF-EP復(fù)合材料力學(xué)性能有其上限，且環(huán)氧樹(shù)脂在常規(guī)固化溫度下凝膠時(shí)間較短，導(dǎo)致注入時(shí)間有限，在短時(shí)間內(nèi)樹(shù)脂難以充分浸潤(rùn)竹纖維[24]。本研究在選取40%最佳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，采用偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的方法，改善纖維與樹(shù)脂間的界面相容性，進(jìn)而提升材料的力學(xué)性能。偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂體系會(huì)發(fā)生如圖3所示的水解反應(yīng)和偶聯(lián)劑自反應(yīng)[18]。

2.2.1 改性處理對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性環(huán)氧樹(shù)脂后BF-EP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律如表4所示。經(jīng)過(guò)兩種方法處理后的BF-EP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度均有所提升。經(jīng)偶聯(lián)劑改性處理后的BF-EP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度，呈現(xiàn)出隨偶聯(lián)劑添加量的增加先逐漸增加，后又略有減小的規(guī)律。在偶聯(lián)劑添加量為3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值74.76 MPa，較未處理時(shí)增幅42%。經(jīng)潤(rùn)濕劑改性處理后BF-EP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有所提升，也呈現(xiàn)出隨潤(rùn)濕劑添加量的增加先升高后略有減小的規(guī)律。在潤(rùn)濕劑添加量為1%時(shí)達(dá)到最大值60.20 MPa，較未處理時(shí)提高了14%。

由于偶聯(lián)劑不僅提高了界面潤(rùn)濕性能還在竹纖維和環(huán)氧樹(shù)脂之間形成高度交聯(lián)網(wǎng)，使得纖維與樹(shù)脂牢固結(jié)合[23-24]，偶聯(lián)劑處理后復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提升較潤(rùn)濕劑更為明顯，說(shuō)明在研究范圍內(nèi)偶聯(lián)劑對(duì)于BF-EP復(fù)合材料拉伸性能的提升效果比潤(rùn)濕劑要好。

2.2.2 改性處理對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性樹(shù)脂后BF-EP復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度變化規(guī)律如表4所示?？芍?，經(jīng)過(guò)兩種方法處理后的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均有所提升。偶聯(lián)劑改性的BF-EP復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度，呈現(xiàn)出隨偶聯(lián)劑添加量的增加先增大后略有減小且趨于平緩的趨勢(shì)。在偶聯(lián)劑添加量為3%時(shí)，BF-EP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值91.76 MPa，較未改性時(shí)提高了33%。經(jīng)潤(rùn)濕劑改性的復(fù)合材料在潤(rùn)濕劑添加量為1%時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值83.04 MPa，較未改性時(shí)提高了21%。

在偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑的最佳添加量下，偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的改善效果更好；但兩種改性劑改性后BF-EP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度差距較小。由于偶聯(lián)劑和潤(rùn)濕劑均有明顯的提高樹(shù)脂浸潤(rùn)效果的作用，可提升纖維與樹(shù)脂間界面相容性，從而提高材料的彎曲性能。而偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用，在彎曲強(qiáng)度的表現(xiàn)上并不明顯。

2.2.3改性處理對(duì)復(fù)合材料抗沖擊性能的影響

偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性環(huán)氧樹(shù)脂后BF-EP復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度變化規(guī)律如表3所示。可知，偶聯(lián)劑與潤(rùn)濕劑均對(duì)BF-EP復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度有提升作用。在偶聯(lián)劑添加量為3%時(shí)，BF-EP復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值214.92 J/m，較未改性時(shí)提升了64%。在潤(rùn)濕劑添加量為1%時(shí)，BF-EP復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值149.60 J/m，較未改性復(fù)合材料提升了34%。

表3 改性處理對(duì)BF-EP復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能的影響

由于潤(rùn)濕劑幾乎不參與纖維與樹(shù)脂間的反應(yīng)，僅對(duì)界面起到潤(rùn)濕作用，而偶聯(lián)劑含有兩種不同的官能團(tuán)，可分別與竹纖維的羥基和環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基形成共價(jià)鍵，使纖維與樹(shù)脂牢固結(jié)合，從而提升BF-EP復(fù)合材料抗沖擊性能，在研究范圍內(nèi)偶聯(lián)劑對(duì)BF-EP復(fù)合材料抗沖擊性能的改善效果明顯優(yōu)于潤(rùn)濕劑。

2.3 改性處理對(duì)BF-EP復(fù)合材料動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能的影響

圖4為不同添加量偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性處理環(huán)氧樹(shù)脂后BF-EP復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量隨溫度的變化曲線。如圖4a所示，偶聯(lián)劑改性后復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量提高，而損耗模量在100 ℃后均小于未改性材料。偶聯(lián)劑添加量為3%時(shí)，儲(chǔ)能模量最高，添加量在5%時(shí)損耗模量最低。BF-EP復(fù)合材料經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑改性之后，竹纖維與樹(shù)脂的界面相容性得到改善，能量損失降低，儲(chǔ)能模量有所提高，損耗模量減小。如圖4b所示，潤(rùn)濕劑改性的BF-EP復(fù)合材料損耗模量較偶聯(lián)劑改性的材料和未改性材料顯著減少。潤(rùn)濕劑添加量在0.5%～1.5%時(shí)，損耗模量數(shù)值近似。在潤(rùn)濕劑添加量為0.5%時(shí)，損耗模量最低。由于未改性復(fù)合材料竹纖維和樹(shù)脂基體之間界面相容性較差，存在界面斷層，使能量在材料內(nèi)部的傳遞時(shí)有損失。而經(jīng)潤(rùn)濕劑改性過(guò)后，損失有所降低。綜上所述，偶聯(lián)劑和潤(rùn)濕劑均可改善BF-EP復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能。

2.4 BF-EP復(fù)合材料的微觀形貌

圖5為BF-EP復(fù)合材料擺錘沖擊測(cè)試后的斷裂微觀形貌。其中圖5a為未經(jīng)改性的BF-EP復(fù)合材料斷面，其纖維間樹(shù)脂較少，甚至出現(xiàn)纖維直接接觸的情況，且纖維有明顯拔出現(xiàn)象，部分纖維呈束狀結(jié)構(gòu)，纖維與樹(shù)脂間分層較為明顯，直接導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度降低。圖5b為偶聯(lián)劑添加量為3%的BF-EP復(fù)合材料斷面，其纖維被樹(shù)脂包裹較緊密，纖維分布較均勻，纖維呈束狀甚至直接接觸較少，斷裂紋路較清晰，纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合明顯較好。圖5c為潤(rùn)濕劑添加量為1%的BF-EP復(fù)合材料斷面，其樹(shù)脂富集現(xiàn)象較少，纖維排布明顯較未改性復(fù)合材料的斷面更均勻規(guī)整，外部機(jī)械能通過(guò)基體樹(shù)脂向纖維有效傳遞，抗沖擊性能得到增強(qiáng)。此結(jié)果與BF-EP復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律相吻合。

2.5 改性處理對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂表面張力的影響

配制不同添加量的偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性環(huán)氧樹(shù)脂體系，并考查不同改性處理對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系表面張力的影響。其中偶聯(lián)劑的添加量分別0、1%、3%、5%、7%；潤(rùn)濕劑的添加量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系表面張力的影響如表4所示。硅烷偶聯(lián)劑可降低環(huán)氧樹(shù)脂體系的表面張力，但隨著偶聯(lián)劑添加量的上升，環(huán)氧樹(shù)脂體系表面張力呈先下降再趨于平緩的趨勢(shì)。在偶聯(lián)劑的添加量為3%時(shí)，樹(shù)脂表面張力降到最低。隨著潤(rùn)濕劑添加量的上升，環(huán)氧樹(shù)脂體系表面張力呈下降趨勢(shì)。在潤(rùn)濕劑的添加量為2%時(shí)，樹(shù)脂表面張力降到最低。相較于偶聯(lián)劑，潤(rùn)濕劑可更明顯地降低環(huán)氧樹(shù)脂體系的表面張力。在相同樹(shù)脂體系下，更小的潤(rùn)濕劑添加量可達(dá)到更大的降低樹(shù)脂體系表面張力的效果?？偟膩?lái)說(shuō)，界面改性可降低樹(shù)脂體系表面張力，與纖維接觸后可提升纖維表面張力，減小纖維與樹(shù)脂間表面張力差值，有利于樹(shù)脂在纖維表面的浸潤(rùn)和分布，提升樹(shù)脂與纖維間界面相容性。經(jīng)界面改性后，環(huán)氧樹(shù)脂表面張力降低，BF-EP復(fù)合材料力學(xué)性能提升。

表4 改性處理對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂表面張力的影響

2.6 BF-EP復(fù)合材料的紅外分析

圖6為經(jīng)偶聯(lián)劑改性后BF-EP復(fù)合材料的紅外譜圖(FTIR)?？芍? 509、1 604 cm-1處為苯環(huán)的伸縮振動(dòng)吸收峰；2 928 cm-1處為—C2H5基團(tuán)的伸縮振動(dòng)吸收峰，均為環(huán)氧樹(shù)脂上基團(tuán)的特征峰。BF-EP復(fù)合材料與竹纖維相比，3 312 cm-1處的羥基峰強(qiáng)度降低；加入硅烷偶聯(lián)劑改性后，1 040 cm-1處Si—OC2H5峰強(qiáng)度較未改性復(fù)合材料顯著增強(qiáng)。這是由于纖維與環(huán)氧樹(shù)脂與偶聯(lián)劑發(fā)生了圖7b所示的偶聯(lián)反應(yīng)，偶聯(lián)劑上的N—H鍵先與環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)生縮合反應(yīng)，之后偶聯(lián)劑上的Si—O鍵再與竹纖維上的羥基發(fā)生接枝反應(yīng)，使環(huán)氧樹(shù)脂與纖維間形成偶聯(lián)，復(fù)合材料界面性能提升。此外，偶聯(lián)劑還會(huì)發(fā)生如圖3所示的水解反應(yīng)與自反應(yīng)。而偶聯(lián)劑除了會(huì)水解之后自反應(yīng)之外，還與環(huán)氧樹(shù)脂上的羥基發(fā)生如圖7a所示的副反應(yīng)，使環(huán)氧樹(shù)脂基團(tuán)分子量增大，反而影響浸潤(rùn)效果。所以偶聯(lián)劑添加量超過(guò)3%后，材料力學(xué)性能略微下降?；贔TIR及SEM的分析推測(cè)竹纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)連接，偶聯(lián)劑通過(guò)水解反應(yīng)與自反應(yīng)形成Si—O—Si化學(xué)鍵，最終纖維與環(huán)氧樹(shù)脂間界面形成如圖8所示網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

在一定范圍內(nèi)，提高纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)可明顯提升BF-EP復(fù)合材料的力學(xué)性能。在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度分別為52.74 MPa、68.76 MPa、131.41 J/m。經(jīng)偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性后，BF-EP復(fù)合材料拉伸、彎曲、抗沖擊等力學(xué)性能得到顯著提升，其中偶聯(lián)劑改性對(duì)力學(xué)性能的改善有更明顯的作用。當(dāng)竹纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度分別為74.76 MPa、91.76 MPa、214.92 J/m。

偶聯(lián)劑改性后復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量提高、損耗模量降低，添加量為3%時(shí)，儲(chǔ)能模量最高，添加量在5%時(shí)損耗模量最低；潤(rùn)濕劑改性后，材料損耗模量較偶聯(lián)劑更明顯降低，添加量為0.5%時(shí)，損耗模量最低。兩種改性均使材料的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能得到提高。

偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑改性后環(huán)氧樹(shù)脂的表面張力降低、潤(rùn)濕性提升。潤(rùn)濕劑對(duì)樹(shù)脂表面張力的降低作用較偶聯(lián)劑更為明顯，當(dāng)潤(rùn)濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂表面張力達(dá)到最低值31.33 mN/m。通過(guò)SEM和FTIR的分析表明，偶聯(lián)劑和潤(rùn)濕劑均可通過(guò)提升樹(shù)脂的潤(rùn)濕性來(lái)提升樹(shù)脂與纖維間的界面相容性。