于開(kāi)鋒，黃雅婷，劉彥波，劉家旗，李浩冬，梁 策

(吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 概述

尼龍6(PA6)，作為應(yīng)用最為廣的工程熱塑性材料，具有優(yōu)異的耐溶劑性、易加工性和機(jī)械性能[1-2]。然而其缺口沖擊性能與尺寸穩(wěn)定性較差，以及吸水性較大等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用[3-4]。纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料時(shí)，可以大幅度改善PA6的機(jī)械性能[5-6]。玄武巖纖維(BF)具有強(qiáng)度大、環(huán)保、無(wú)毒、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于生產(chǎn)與合成具有優(yōu)異性能的輕質(zhì)復(fù)合材料[7-8]。但是BF表面光滑、惰性大、浸潤(rùn)性不足，與基體材料進(jìn)行復(fù)合時(shí)，由于界面結(jié)合能力較低，易發(fā)生纖維脫粘等現(xiàn)象。因此在制備玄武巖纖維復(fù)合材料的過(guò)程中需要對(duì)纖維表面進(jìn)行處理，增加纖維與基體之間的界面相互作用[9]。

本文以BF為增強(qiáng)材料，使用不同濃度的KOH與H2SO4溶液對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)改性處理，通過(guò)熔融共混制備PA6/BF復(fù)合材料，其中BF與PA6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%與70%。探究化學(xué)處理方式對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響，并對(duì)纖維與復(fù)合材料進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

PA6(BL3280H)顆粒：中國(guó)石油化工股份有限公司制巴陵分公司提供；長(zhǎng)切玄武巖纖維：長(zhǎng)度 6 mm，直徑 12 μm，浙江省海寧安捷復(fù)合材料有限公司；抗氧劑1098：山東優(yōu)索化工科技有限公司；抗氧劑168：山東優(yōu)索化工科技有限公司；滑石粉：1250目，桂林桂廣滑石開(kāi)發(fā)有限公司；H2SO4：北京化工廠；KOH：北京化工廠。

2.2 BF改性及復(fù)合材料制備

配制 0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L 的H2SO4和KOH溶液，將玄武巖纖維浸入H2SO4或KOH溶液中，處理時(shí)間 1 h。使用去離子水將酸堿溶液處理后的纖維清洗至中性，最后 80 ℃ 條件下干燥 8 h，備用。

將原料PA6在 90 ℃ 真空條件下干燥 10 h，真空干燥箱的真空度設(shè)置為 -90 kPa，避免PA6被空氣氧化。抗氧劑1098和168的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是PA6的0.6%和0.3%。然后使用TE-35A型雙螺桿擠出機(jī)制造復(fù)合材料，各區(qū)溫度分別為 230 ℃，240 ℃，250 ℃ 和 230 ℃，其螺桿轉(zhuǎn)速為 60 r/min。從料斗中加入PA6顆粒，將BF通過(guò)側(cè)邊進(jìn)料裝置進(jìn)料到設(shè)備中。將所得的復(fù)合材料依次通過(guò)冷水槽、牽引機(jī)、切粒機(jī)造粒。由于PA6的高吸濕能力，所有PA6原料在實(shí)驗(yàn)前需要真空干燥干燥至少 10 h。

用于測(cè)試的樣品是通過(guò)TXS-1080型注射成型機(jī)進(jìn)行注射成型的，注塑機(jī)的各區(qū)溫度分別為 235 ℃，245 ℃，235 ℃，245 ℃。注射壓力、保護(hù)壓力及保護(hù)時(shí)間分別為 70 MPa、45 MPa 與 30 s。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與表征

本文采用JSM-6700掃描電子顯微鏡對(duì)無(wú)機(jī)粒子以及復(fù)合材料沖擊斷裂面進(jìn)行微觀表征。將沖擊斷裂樣品在液氮中冷凍 5 h，然后將樣品距離斷裂面 2～3 mm 處的部分切下，所有樣品測(cè)試前噴金 200 s，所有樣品均以 5 kV 的加速電壓進(jìn)行掃描。

復(fù)合材料的拉伸與彎曲試驗(yàn)在WSM-5KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照GB/T 1040-2006的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速度為 20 mm/min。復(fù)合材料的沖擊試驗(yàn)在JJ-2記憶式?jīng)_擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照GB/T 1843-1996的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，擺錘大小為 5.5 J。

3 結(jié)果與討論

圖1為經(jīng)過(guò)不同濃度KOH與H2SO4溶液處理過(guò)BF的微觀形貌。隨著溶液濃度從 0 mol/L 增加到 0.5 mol/L 和 1 mol/L 時(shí)，纖維表面明顯變得粗糙，并且出現(xiàn)明顯的凸起與凹陷，與PA6復(fù)合制備復(fù)合材料時(shí)，可以增強(qiáng)界面結(jié)合能力。當(dāng)KOH與H2SO4溶液得濃度達(dá)到 2 mol/L 的時(shí)候，纖維表面因腐蝕而發(fā)生脫落，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被破壞，作為增強(qiáng)材料時(shí)，性能有所下降。

(a)0.5 mol/L KOH;(b)1 mol/L KOH;(c)2 mol/L KOH;(d)0.5 mol/L H2SO4;(e)1 mol/L H2SO4;(f)2 mol/L H2SO4。圖1 BF的SEM圖

復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖2所示。經(jīng)過(guò)化學(xué)處理過(guò)的纖維/PA6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度均高于未處理的復(fù)合材料。用 1 mol/L 的H2SO4處理復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為 102.44 MPa 和 15.38 kJ/m2。主要是因?yàn)槔w維經(jīng)過(guò)酸堿處理后，表面粗糙度的增加導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度的提高。

圖2 化學(xué)處理過(guò)的玄武巖纖維/PA6復(fù)合材料的拉伸性能和沖擊性能

懸臂梁試樣的斷口界面的SEM圖如圖3所示。從圖3(a)看出，在BF表面未經(jīng)過(guò)改性的復(fù)合材料沖擊斷面中，材料受到?jīng)_擊外力時(shí)，纖維被拔出且基體中存在大量孔洞，且裸露的纖維表面相對(duì)光滑。圖3(b)、3(c)為纖維經(jīng)過(guò) 1 mol/L 的KOH與H2SO4溶液處理后復(fù)合材料沖擊斷面，此時(shí)纖維雖然從基體中被拔出，但其孔洞數(shù)量變少且表面粘附著樹(shù)脂殘跡。纖維經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后，表面被刻蝕后產(chǎn)生缺陷，粗糙的表面增加了纖維與基體的界面結(jié)合性。

(a)未處理；(b)1 mol/LKOH；(c)1 mol/L H2SO4。圖3 懸臂梁試樣斷口的SEM圖

4 結(jié)論

綜上所述，文章對(duì)玄武巖纖維表面進(jìn)行化學(xué)改性，經(jīng)過(guò)KOH與H2SO4均改變了纖維表面的性能。由BF表面的SEM看出，酸堿溶液通過(guò)腐蝕來(lái)增加纖維表面粗糙度，進(jìn)而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。1 mol/L 的H2SO4處理后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為 102.44 MPa 和 15.38 kJ/m2。