界面改性对复合材料力学性能的影响

尹良舟，刘汇丰，王东伟，李言言，杨　莉

(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)



界面改性对复合材料力学性能的影响

尹良舟，刘汇丰，王东伟，李言言，杨莉

(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)

摘要：为了研究不同界面改性方法对复合材料性能的影响，以玄武岩无纬布为增强体、硼酚醛树脂为基体制备复合材料，分别用盐酸和KH-560偶联剂对复合材料的界面进行改性处理，分析不同的界面改性方法对复合材料力学性能的影响.实验表明，KH-560改性有助于复合材料拉伸和弯曲性能的改善，但其复合材料的力学性能并不随着KH-560用量的增加而无限增强，经盐酸处理后的BF/BPR复合材料的力学性能没有提高反而下降.

关键词：玄武岩纤维；界面改性；偶联剂；盐酸；力学性能

玄武岩纤维(Basalt Fibre，BF)是以天然的玄武岩矿石为原料，在温度高于1 500 ℃熔融后经铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维(直径7~13 μm，长度60~100 mm)[1].玄武岩纤维原料来源广、成本低、抗拉强度高、耐高温、耐腐蚀、透波性能优异，与碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维相比，玄武岩纤维还具有绿色无污染的特性.同时，在复合材料方面，玄武岩纤维与金属、塑料、无机非金属材料有良好的兼容性，可将其作为一种新型复合材料的增强体应用于航天航空、冶金化工、机械制造等领域[2-3].但玄武岩纤维表面光滑且呈化学惰性，与树脂间的界面黏结效果不理想，极大地影响了其优异性能的发挥，因而需要对其进行表面改性处理以改善复合材料的界面性能.

1实验

1.1材料

连续玄武岩平纹布，面密度为260 g/㎡，四川航天拓鑫有限公司生产；硼酚醛树脂，黄色固体，蚌埠市天宇耐高温树脂材料有限公司生产；偶联剂KH-560，南京硅联化工有限公司生产；脱模剂，上海乐瑞固化工有限公司生产；盐酸(分析纯，AR)，国药集团化学试剂有限公司生产；无水乙醇(分析纯，AR)，国药集团化学试剂有限公司生产.

1.2主要仪器与设备

平板硫化机，湖州橡胶机械有限公司生产；电热恒温鼓风干燥箱，上海三发科学仪器有限公司生产；电子万能试验机，长春试验机研究所生产；电子显微镜S-4800，日本日立有限公司生产；日本岛津IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪；砂轮机；研磨皿；自制模具.

1.3试样的制备

1.3.1玄武岩纤维的表面改性处理

用蒸馏水将盐酸配制成浓度为0.5 mol/L，1 mol/L，1.5 mol/L和2 mol/L的盐酸溶液，在常温下处理玄武岩纤维织物试样2 h，取出后冲洗去除织物表面残留的盐酸溶液，放入105 ℃的烘箱中干燥1 h，取出备用.

将无水乙醇与蒸馏水混合液作为溶剂配制硅烷偶联剂，浓度分别为0.5%，1%，1.5%和2%，水解5 min，分别按照3∶10的浴比对增强体纤维织物进行浸渍，浸泡30 min后取出在室温下自然晾干，然后置于120 ℃的烘箱中干燥1 h以备使用.

1.3.2复合材料的制备

将硼酚醛树脂粉碎，用乙醇溶液配制成含胶量为50%的胶液，根据实验方案将处理后的纤维布按一定比例浸渍于树脂凝胶液中，置于通风处干燥1 d以上得到预浸布.将干燥好的预浸布切割成20 mm×180 mm的布块，放入110～120 ℃烘箱中预烘30 min，取出并在自制模具中铺层，采用层压成型工艺制得连续玄武岩纤维增强硼酚醛树脂基复合材料，复合工艺参数为热压温度210 ℃、处理时间30 min、复合压力7 MPa、自然冷却[4].

1.4性能测试和表征

外观形态及X射线能谱测试.采用S-4800型纤维扫描电子显微镜对处理前后的增强体表面的微观形态进行观察，同时对增强体表面进行X射线能谱测试，加速电压为15 kV，测试在氮气保护下进行.微观结构分析采用日本岛津IRP系列傅里叶红外光谱仪，测试处理前后增强体表面的微观结构，采用KBr压片法进行测定，扫描范围为0～4 000 cm-1.试验条件为标准条件下，大气温度20 ℃，相对湿度65%.根据GB 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》[5]和GB 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》[6]，在电子万能试验机上测试复合材料的弯曲性能和拉伸性能.

2结果与讨论

2.1玄武岩纤维的形态表征

图1是玄武岩纤维经改性前后的SEM电镜图.由图1可知，未经处理的玄武岩纤维表面光滑；经盐酸处理后的玄武岩纤维表面出现轻微的刻蚀现象，有斑点产生；被偶联剂处理过的玄武岩纤维表面有明显的涂层附着.

图1　处理前后玄武岩纤维的SEM电镜图Fig.1　SEM photos of BF before and after modification

2.2改性前后的能谱分析

玄武岩纤维在表面改性处理后，微观形态出现很大差异，对改性前后的玄武岩纤维进行了能谱分析，如图2所示.

图2　处理前后的玄武岩纤维表面能谱图Fig.2　Surface energy spectrum diagram of BF before and after modification

从图2可知，玄武岩纤维被盐酸腐蚀后，Na，Mg，Al，Fe等金属元素的相对含量减少，C和O元素的相对含量增加.金属元素的相对含量减少是因为离子交换机制而被析出，被H+置换，但是酸蚀后的成分变化并不明显.在被偶联剂KH-560处理的玄武岩纤维表面主要检测到C和O两种元素，因为KH-560的分子式主要由C和O组成，说明BF的表面成功附着了KH-560偶联剂.

图3　改性前后的玄武岩纤维表面红外光谱图Fig.3　FTIR spectrum of BF before and after modification

2.3改性前后的红外光谱分析

图3为改性前后的玄武岩纤维表面红外光谱图.从图中可知，处理前后样品的红外光谱图基本相似，但是振动强度有所不同.3个样品在指纹区870 cm-1处都有明显的吸收峰，这是因为玄武岩纤维的主要成分是二氧化硅；经盐酸改性后的样品在1 630~1 800 cm-1处振动吸收峰明显，这是因为用酸处理后的玄武岩在其纤维表面产生了较明显的酸酐键.改性前的玄武岩纤维在3 500 cm-1处有明显的吸收峰，经过偶联剂处理后的纤维表面也在此处有明显的吸收峰，而经过酸处理的纤维在此处的吸收峰基本消失，这说明经过酸处理后纤维表面的某些基团已经被破坏，与扫描电镜结果一致.

2.4BF/BPR复合材料的拉伸性能测试

图4和图5分别为经盐酸和偶联剂改性后的复合材料的拉伸强度变化曲线.由图4可以看出，经盐酸处理后,复合材料的拉伸强度并没有得到有效改善，反而呈下降趋势，但其变化规律并不是呈线性变化的,而是波动变化.分析其原因，玄武岩纤维是一种典型的硅酸盐纤维，当纤维与酸接触后，特别是当酸的浓度较大时，纤维中部分碱金属氧化物被酸中的氢离子置换出来，形成可溶性盐溶于溶液中，使纤维表面产生沟槽.在刻蚀的过程中，刻蚀时间越长，刻蚀程度越高，BF表面的粗糙度越大.纤维表面粗糙度的增加利于增强体与基体之间的结合，但同时也大大影响了增强体纤维本身的强度，所以当玄武岩纤维强度的下降程度高于纤维表面的粗糙度对界面性能的影响时，复合材料的力学性能不但得不到提高，反而会下降.

图4　经HCL处理的BF/BPR的拉伸强度Fig.4　Strength of BF/BPR after BF treated by HCL

图5　经偶联剂KH-560处理的BF/BPR的拉伸强度Fig.5　Strength of BF/BPR after BF treated by KH-560

由图5可知，经偶联剂处理后复合材料的拉伸强度有了明显提高，且拉伸强度在一定范围内会随着偶联剂含量的增加而线性增强，但增加的幅度逐渐降低.分析其原因，KH-560先在乙醇溶液中水解使其结构中的乙氧基(—OC2H5)被羟基(—OH)取代生成硅醇基,然后带有硅醇基的偶联剂脱水缩合形成了长链状的偶联剂层.纤维浸泡在偶联剂溶液中时，纤维表面的羟基就与KH-560结构中新形成的硅醇基发生反应，脱水缩合在纤维表面形成了醚键.而KH-560中的环氧基可以和酚醛树脂中的羟基发生反应生成化学键，有利于促进BF与树脂的结合，从而增强了复合材料的力学性能.但当偶联剂的浓度较大时，不会在增强体与基体之间形成均匀有效的偶联剂层，这时复合材料的拉伸性能有所下降.

2.5BF/BPR复合材料的弯曲性能测试

图6和图7分别为经盐酸和偶联剂改性后复合材料的弯曲强度变化曲线.可以看出，界面经盐酸处理后复合材料的弯曲强度并没有得到明显改善，反而经一定浓度的盐酸处理后复合材料的拉伸强度呈下降趋势，特别是当盐酸浓度较大时，强度下降明显.而经偶联剂改性过的复合材料的弯曲强度有了明显提高，弯曲强度随偶联剂浓度的增加而线性增强，但其增加的幅度逐渐降低，当达到一定值后，强度不再增加反而有所下降.

图6　经HCL改性后BF/BPR的弯曲强度Fig.6　The tensile strength of BF/BPR treated by HCL

图7　经偶联剂KH-560改性后BF/BPR的弯曲强度Fig.7　The tensile strength of BF/BPR treated by KH-560

3结语

经偶联剂改性后复合材料的力学性能有了明显改善，在一定偶联剂浓度范围内，复合材料的力学性能随偶联剂浓度的增加而增强.经盐酸处理后的复合材料因增强体纤维表面被刻蚀，力学性能并没有得到明显改善，反而会随着盐酸浓度的增加而明显下降.

参考文献：

[1]郭宗福，钟智丽.玄武岩纤维/聚丙烯热塑板拉伸性能的研究[J].玻璃纤维，2012(2)：34-38.

[2]吴佳林.连续玄武岩纤维的研究进展及应用[J].化纤与纺织技术，2012,41(3)：38-41.

[3]张俊华，李锦文，李传校,等.连续玄武岩纤维平纹布增强硼酚醛树脂基复合材料研究[J].工程塑料应用，2008，36(12)：17-19.

[4]樊在霞，张瑜，陈彦模.冷却方式对GF/PP复合纱针织物复合材料基体结晶结构的影响[J].复合材料学报，2007,24(3)：52-58.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S].北京:中国标准出版社,2005.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 1449—2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法[S].北京:中国标准出版社,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：杨莉(1978-)，女，吉林和龙人，讲师，主要研究方向为新型纺织材料与复合材料.E-mail:tianmaxingyang@sohu.com.

作者简介：尹良舟(1990-)，男，安徽合肥人，本科生，主要研究方向为新型纺织材料与复合材料.

基金项目：安徽省大学生创新创业训练项目(AH2013103633296)；地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201210363219)

收稿日期：2014-10-30

中图分类号：TQ325.1

文献标志码：A

文章编号：1674-330X(2015)01-0005-04