纳米SiO2改性环氧树脂碳纤维体育材料及性能试验

高会娜

摘 要：针对传统体育器材环氧树脂碳纤维复合材料脆性大、耐冲击性能差的问题，提出用真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VATRM）制备用于体育器材的纳米二氧化硅改性环氧树脂碳纤维复合材料，借助电子万能试验机和落锤式冲击实验机研究了该复合材料的横向拉伸性能和抗冲击性能。结果表明：当纳米二氧化硅质量分数为1%时，纳米二氧化硅/环氧树脂复合材料的横向拉伸性能最佳，断裂伸长率为0.5%;横向拉伸强度为41.7 MPa，拉伸模量为79.9 GPa，比纯环氧树脂碳纤维复合材料的横向拉伸强度、拉伸模量分别提高124.2%和12.5%。经纳米二氧化硅改性的环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击力为2 216 N，比纯环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击力提高了37.2%左右。

关键词：环氧树脂碳纤维;体育材料;纳米SiO2改性;拉伸性能;冲击性能

中图分类号：TQ       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）03-0032-04

Nano SiO2 modified epoxy resin carbon fiber sports material and its performance test

GAO Huina

（Shaanxi Institute of International Trade & Commerce， Xianyang 712046， Shaanxi China）

Abstract：Aiming at the problems of high brittleness and poor impact resistance of epoxy resin carbon fiber composites for traditional sports equipment， a nano silica modified epoxy resin carbon fiber composites for sports equipment was prepared by vacuum assisted resin transfer molding （VATRM）. The transverse tensile properties and impact resistance of the composite were studied by means of electronic universal testing machine and drop hammer impact testing machine. The results show that the transverse tensile properties of the composites are the best when the mass fraction of nano silica is 1%. At this time， the transverse tensile strength of the composite is 41.7 MPa; The tensile modulus is 79.9 GPa; elongation at break is 0.5%; the tensile strength and modulus are 124.2% and 12.5% higher than those of pure epoxy carbon fiber composites， respectively. The maximum impact force of epoxy resin carbon fiber composite modified by nano silica is 2 216 N， which is about 37.2% higher than that of pure epoxy resin carbon fiber composite.

Key words：epoxy resin base; sports materials; nano SiO2 modification; tensile properties; impact performance

環氧树脂碳纤维复合材料因为其良好的抗疲劳和抗腐蚀性能，常用于体育器材的制作。但随着研究的深入，人们发现环氧树脂碳纤维复合材料固化后，横向拉伸性能差，抗冲击能力弱，使得其运用范围受到了极大的限制。为让环氧树脂碳纤维在体育器材方面得到更广泛运用，有学者采用热压成型技术制备了网球拍用的碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料，并通过试验证明了该方法制备的三向织物/环氧树脂复合材料各方面性能皆表现良好;采用碳纳米管对环氧树脂体系以及碳纤维进行改性处理，提升环氧树脂碳纤维复合材料的整体性能[2]。以上学者的研究成果表明，改变复合材料的成型方法和对复合材料进行改性都是提升碳纤维复合材料的有效方式，但具体成型方法和改性材料还存在很大的研究空间。基于此，本文尝试采用目前最新真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VATRM），以纳米二氧化硅作为改性材料制备体育用二氧化硅改性环氧树脂碳纤维复合材料，并对其性能进行研究，希望为提升环氧树脂碳纤维复合材料性能提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

试验材料：SiO2（广州南硅化工有限公司，纳米级）、环氧树脂（青岛百辰新材料科技有限公司，E44）、碳纤维织布（河北富瑞复合材料有限公司，纤维直径5～20 μm）

试验设备：电子天平（河北德科机械科技有限公司，H0503）、真空干燥箱（巩义市宏华仪器设备工贸有限公司，DZF-6050）、高速剪切仪（沧州晟铠仪器设备有限公司，GS-1）、超声波清洗机（常州国华电器有限公司，CS-1）、电子万能试验机（协强仪器制造（上海）有限公司，CTM2050）、落锤式冲击实验机（江苏维科特仪器仪表有限公司，WKT-LC200）。

1.2 试验方法

1.2.1 纳米二氧化硅环氧树脂分散物制备

（1）用H0503型电子天平称取300 g环氧树脂，然后置于DZF-6050型真空干燥箱内，在45 ℃条件下加热5 min;

（2）按照二氧化硅环氧树脂质量分数分别为0.1%、0.3%、0.5%称取一定量纳米二氧化硅;

（3）将预热后环氧树脂取出，然后调整GS-1型高速剪切仪高度，将转头放入环氧树脂正中间，放置时要注意转头紧贴杯壁;

（4）打开高速剪切仪，调整其转速至104r/min。将纳米二氧化硅平均分成3份，每隔10 min在环氧树脂中加入一份纳米二氧化硅，直至纳米二氧化硅加完。在搅拌过程中，需要不断改变转头的位置，避免出现分布不均的现象;

（5）提前将CS-1型超声波清洗机预热至60 ℃，然后将搅拌均匀的环氧树脂混合物放入超声波清洗机中;打开超声波清洗机对混合物进行超声震荡。超声温度、频率和时间分别为60 ℃、40 kHz和60 min。

1.2.2 VARTM 成型工艺制备体育用的改性环氧树脂基碳纤维复合材料

（1）提前在光滑刚性玻璃模具上涂抹3次脱模蜡，每次涂抹都需要等到脱模蜡完全干透方可继续涂抹。将脱模布置于提前处理過的玻璃模具上，放置时要注意铺放整齐。然后将6层碳纤维布统一方向铺放在脱模布上，最后根据要求放置导流管和螺旋管，铺设工艺如图1所示;

（2）将所有材料铺设好后，在其四周隔一定距离粘贴密封胶带，然后将真空薄膜袋粘贴在密封胶带上。粘贴真空薄膜袋时要注意薄膜袋与密封胶带间不要留有空隙，避免试验失败;

（3）用止流钳将树脂两侧真空管夹紧，打开真空泵开关，待真空表指针指向-0.1 MPa，确定是否漏气。若密封状态良好，将纳米无机粒子环氧树脂分散剂与固化剂按照5∶1比例混合均匀后，导入玻璃模具中，然后将两端树脂夹紧;

（4）将玻璃模具置于室温条件下固化，一段时间后，取出完全固化的复合材料。观察复合材料表面是否完整，有无浸润不完全、气泡和干斑现象出现。如有上述情况出现需舍弃。

1.3 性能测定

1.3.1 体育用SiO2改性环氧树脂复合材料的横向拉伸性能测定

（1）参照ASTM D3039 标准将复合材料切割成尺寸为25 mm×125 mm，厚度为2 mm的拉伸试验样品，每组5个，共3组;

（2）将引伸计用皮筋固定在试样上，然后调节CTM2050型电子万能试验机上下夹头，使之保持一定距离。之后分别将试样的上下两端置于万能试验机上下卡具中部。最后调整上下夹头距离，确保试样保持垂直对中性同时不受卡具压力;

（3）打开电子万能试验机，以2 mm/min的加载速度对试件施加荷载。

试件拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率表达式分别为：

σt=Pb-h

Et=ΔσtΔεt

εt=ε15×50

式中：σt表示复合材料拉伸强度;Et表示复合材料拉伸模量;ε1表示引伸计应变量;Δσt表示试件承受的应力增量;Δεt表示拉伸试件的应变;P表示试件承受的荷载;b表示试件宽度;h表示试件厚度。

1.3.2 体育用SiO2改性环氧树脂复合材料的冲击性能测定

（1）参照ASTM 7136 标准将复合材料切割成尺寸为100 mm×150 mm，厚度为2 mm的冲击试验样品，每组5个，共3组;

（2）提前对试件表面中心位置进行标记，将试件置于WKT-LC200型落锤式冲击实验机夹具适当位置，并将试件锁死;

（3）选择直径为16 mm的球形冲头进行测试。将冲头对准试件中心落下，观察试件变化，并绘制冲击载荷-时间曲线。

2 结果与讨论

2.1 体育用纳米SiO2改性环氧树脂复合材料横向拉伸性能

表1为不同质量分数纳米二氧化硅/环氧树脂复合材料横向拉伸性能测定结果。

由表1可知，随纳米二氧化硅质量分数的增加，复合材料拉伸性能表现出先增加后减小的趋势。当纳米二氧化硅质量分数为1%时，复合材料性能最佳。此时复合材料横向拉伸强度为41.7 MPa，拉伸模量为79.9 GPa，断裂伸长率为0.5%;拉伸强度和模量分别比纯环氧树脂碳纤维复合材料提高了124.2%和12.5%。纳米二氧化硅改性环氧树脂碳纤维复合材料拉伸性能出现先增加后减小变化的原因是纳米二氧化硅粒子粒径小，比表面积大，能够与高分子材料的很好的相容;与环氧树脂结合的时候，能够产生更多的Si—O化学键，在拉伸过程中对微裂缝的长大延伸起到延缓和钝化作用，使得复合材料拉伸性能有所提升。随着纳米二氧化硅质量分数的增加，在体系内易出现聚集成团的现象，使得纳米二氧化硅无法在环氧树脂碳纤维复合材料中分散均匀。复合材料受外部荷载时，微裂纹瞬间成为宏观断裂，导致其性能下降。同时，纳米二氧化硅质量分数的增加会导致混合溶液黏度变大，不利于VARTM 成型工艺对复合材料改性。

2.2 体育用纳米SiO2改性环氧树脂复合材料冲击性能分析

图2、图3分别表示在20 J冲击能量下，质量分数为1%的纳米二氧化硅改性环氧树脂基碳纤维复合材料的冲击载荷、能量与时间的关系曲线。

由图2可知，经纳米二氧化硅改性，复合材料冲击荷载随时间的变化规律表现为类正弦变化。在冲击初始过程中，冲击载荷随时间的增加而增加，但没经过改性的环氧树脂基复合材料载荷-时间曲线变化增长速度要大于经纳米二氧化硅改性的环氧树脂碳纤维复合材料。这是因为环氧树脂碳纤维经纳米二氧化硅改性后，碳碳键总键能比硅氧键键能高，使得其耐冲击能力增加。试验结果表明，经纳米二氧化硅改性的环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击力为2 216 N，比纯环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击力1 615 N提高了37.2%左右。这是因为在改性过程中，纳米二氧化硅粒子提高了环氧树脂的交联密度。在承受冲击载荷时，二氧化硅能够承担传递部分载荷，再加上纳米二氧化硅粒子比表面积大，表面羟基含量高，化学性能活泼，与环氧树脂接触机会大，使得其冲击性能大大增加。在体育器材制备方面得到更为广泛的应用。

由图3可知，两种复合材料的能量-试件曲线迅速增加至20 J能量后，慢慢的趋于平衡。纳米二氧化硅改性复合材料曲线增长速度相对较快，这就说明冲击作用时间较少，能够提前达到最大冲击力。

3 结语

本文利用真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VARTM）制备二氧化硅改性环氧树脂基碳纤维复合材料。通过对其横向性能和拉伸性能的研究，得到的具体结论如下：

（1）横向拉伸试验结果表明，随纳米二氧化硅质量分数的增加，复合材料横向拉伸性能表现出先增加后减小的趋势。当纳米二氧化硅质量分数为1%时，复合材料横向拉伸性能最佳。此时复合材料横向拉伸强度为41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，断裂伸长率为0.5%;

（2）复合材料冲击试验结果表明，纳米二氧化硅能一定程度提高环氧树脂碳纤维复合材料。纯环氧树脂碳纤维复合材料最大冲击载荷为1 615 N，经纳米二氧化硅改性后，复合材料最大冲击载荷提升至2 216 N。能量-时间曲线结果表明，经改性后的复合材料增长至20 J能量的时间较短，能够提前达到最大冲击力。

综上所述，本文制备的体育用纳米SiO2改性环氧树脂复合材料具有良好的力学性能和抗冲击性能，能够在短时间内达到最大冲击力，可在体育器材的制备方面得到广泛运用。

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