劉 萍

北京科技大學保衛(wèi)處,北京 100083

0 引言

校園人口密度很大,其防火安全對師生安全影響很大,目前多是通過在建筑表面增加防火涂層的方式加強防火安全。目前常用的一種防火材料是玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRE),但其存在性能不穩(wěn)定的情況,尤其是在受到力學沖擊的時候很容易發(fā)生斷裂,進而失去防火的效果。為了提高GFRE涂層的力學性能,可將碳納米管(CNTs)應用于聚合物基復合涂層中作為理想增強體[1]。通過超聲處理或三輥碾壓可以在環(huán)氧樹脂(EP)中形成分散更均勻的CNTs。有學者研究發(fā)現,對面實施官能化改性可以使其更均勻分散于EP基體內,同時還能增強CNTs和EP的結合力。此外,也有學者對比了加入各類分散劑的情況下形成的CNTs分散狀態(tài)[2-3]。

由于CNTs具備大長徑比,能夠保持高惰性表面,產生高表面能,無法與EP達到理想的分散性,同時還會導致樹脂粘度增大,無法確保纖維獲得良好的浸潤狀態(tài)[4],到目前為止還沒有實現采用CNTs進行批量制備纖維復合涂層的目標。近年來,有學者通過對比發(fā)現,相對于官能化之前的CNTs增強樹脂,加入質量分數為0.5%經過氨基化后的CNTs制得的復合涂層獲得了更高的界面剪切強度,提升比例達到15%[5]?，F階段,已有學者研究了將CNTs添加到玻璃纖維復合涂層內并取得了一定的成果,但到目前為止還沒有學者研究對CNTs經過官能化處理后得到的玻璃纖維復合涂層力學特性變化與界面結合性能的差異[6]。本文在前人研究的基礎上,將碳納米管(CNTs)均勻分散在環(huán)氧樹脂(EP)中,制備了不同官能團GFRE復合涂層,并開展力學性能測試。

1 試驗部分

1.1 主要原料

本試驗需使用的原料包括聚乙烯醇縮丁醛分散劑(醛化度68%～74%,OH比例25 wt%～26 wt%)、單軸向E玻璃纖維布(GF,1 200 g/m2)、環(huán)氧樹脂(LY1564,一種雙酚A樹脂的改性物)及其固化劑(y5288),它們混合后粘度1 200～1 400 MPa·s(250 ℃)。CNTs外徑尺寸8～15 nm,長50 μm。表1給出了本試驗需要使用的各類CNTs與表面官能團的比例。

表1 CNTs 的官能團含量

1.2 CNTs/GFRE的制備

添加了CNTs的環(huán)氧膠液進行纖維浸漬時,纖維會對CNTs造成阻擋作用,導致難以制得具有均勻質量的復合涂層。復合涂層試樣通過手糊方式制備。

切取獲得尺寸200 mm×300 mm的GF布作為備用。將聚酯薄膜平鋪到玻璃板表面,再鋪上GF布,將添加了CNTs的環(huán)氧膠液倒在上層;繼續(xù)鋪設第2層GF布,重復上述步驟,直到表面不再產生白絲,繼續(xù)蓋上一層聚酯薄膜并充分排除氣泡,放置1 kg的鋼板進行加壓,在室溫下經過24 h固化后移除鋼板,接著升溫到70 ℃并經過5 h固化獲得添加了CNTs的玻璃纖維復合涂層。

1.3 測試與表征

根據ISO 527—1997標準,利用CMT5105萬能拉伸機對試樣進行力學測試,控制測試面積55 mm×10 mm,并以1 mm/min速率進行加載;根據ISO 14125—1998標準測試試樣的彎曲性能,控制方式為三點彎曲,設定跨距為32 mm,將試樣加工成40 mm×15 mm×2 mm的尺寸。

2 結果與討論

2.1 CNTs官能化對GFRE力學性能的影響

2.1.1 CNTs官能化對GFRE拉伸性能的影響

玻璃纖維復合涂層力學特性受到CNTs表面官能團的顯著影響。加入0.1%的CNTs后,得到圖1所示的各官能化CNTs條件下的GFRE拉伸測試結果。對圖1進行分析可以發(fā)現,與純GFRE試樣相比,含有不同官能團的GFRE都獲得了更高拉伸強度,同時拉伸模量也明顯增大。其中,拉伸強度提高最明顯的是加入-OH官能團的復合涂層;從變化比例角度分析,拉伸強度受到CNTs的影響更明顯。

圖1 不同官能團GFRE的拉伸性能

2.1.2 CNTs官能化對GFRE彎曲性能的影響

CNTs的加入量達到0.1 wt%時,得到圖2所示的各官能化CNTs下的GFRE拉伸測試結果?？梢园l(fā)現,與純GFRE復合涂層進行相比,加入-COOH、-OH與-NH2官能團時得到的復合涂層依次增大了22.8%、30.1%與25.1%的彎曲強度,同時彎曲模量依次增大2.7%、5.1%與3.2%。通過對比發(fā)現,復合涂層各項力學性能參數表現為相近的變化規(guī)律,其中,彎曲強度最高的為加入-OH官能團的GFRE復合涂層,這是由于CNTs含有的各官能團比例存在差異,同時環(huán)氧基與羥基具有不同的反應活性,并受到偶極作用的影響。含有較多官能團的CNTs更易與EP產生化學鍵,從而形成強烈的偶極作用,由于CNTs可以對EP產生明顯增強效果,從而大幅提升-OH官能團GFRE復合涂層力學強度,同時,因為CNTs斷裂伸長率大,同時加入了聚乙烯醇縮丁醛已達到良好的分散效果,實現了對界面EP樹脂的增韌效果,這使得添加了CNTs的復合涂層拉伸強度相對于彎曲模量變化程度更明顯。

圖2 不同官能團GFRE復合涂層的彎曲性能

3 結論

本文開展了校園防火用GFRE復合涂層力學性能分析,得到如下結論。

1)與純GFRE試樣相比,不同官能團GFRE獲得更高拉伸強度,拉伸模量增大,拉伸強度提高最明顯的是加入-OH官能團GFRE的復合涂層。

2)與純GFRE復合涂層進行對比,含有不同官能團的GFRE依次增大了22.8%、30.1%與25.1%的彎曲強度,彎曲模量依次增大2.7%、5.1%與3.2%。