等离子体-硅烷偶联剂改性芳纶纬平针织复合材料的力学性能研究*

李翠玉 王林心 宋佳佳 崔月岩

1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387

芳纶是一种由苯环和酰胺键组成的新型合成纤维，其大分子链中至少有85%的酰胺键直接与苯环相连，具有密度低、比强度高、比模量高和耐高温等优异的性能，其可作为聚合物复合材料中的增强材料，已受到广泛的关注[1-2]。如以芳纶织物作为增强体制备的复合材料，已被广泛应用于航空航天、体育运动等领域。但芳纶表面缺乏化学活性基团，故较难与树脂基体形成有效的机械联锁，界面联结强度较弱，这将影响芳纶增强复合材料的力学性能，限制了其应用[3-6]。因此，对芳纶纤维/织物进行改性，改善芳纶纤维/织物与基体材料黏结不良的状况，对提升芳纶增强复合材料力学性能很有必要。

综上可知，对芳纶纤维/织物进行表面改性，可制备综合性能优异的复合材料。本文将选用氩气等离子体和不同质量分数的硅烷偶联剂溶液对芳纶纬平针织物改性，以提高芳纶表面的活性，增强芳纶与树脂间的黏结力；再采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺制备未改性芳纶纬平针织复合材料及等离子体-硅烷偶联剂改性芳纶纬平针织复合材料，通过测试未改性及改性芳纶纬平针织复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能和冲击性能，研究芳纶纬平针织物改性对其复合材料力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用主要材料和试剂如表1所示。

表1 试验用主要材料及试剂

1.2 芳纶纬平针织物的制备

先使用DSTW-01 型数字式小样并捻联合机对芳纶长丝进行加捻，加捻参数如表2所示。

表2 加捻参数设计

再采用龙星牌LXC-252SCS型电脑横机将加捻的芳纶长丝织制成横密为50纵行/(5 cm)、纵密为40横列/(5 cm)、尺寸为30 cm×30 cm的芳纶纬平针织物。

1.3 芳纶纬平针织物的改性

改性过程主要分3个阶段，分别为预处理、氩气等离子体表面处理及硅烷偶联剂处理。

1.3.1 预处理

先将芳纶纬平针织物浸没在乙醇溶液中进行超声清洗，以去除纤维与织物表面的油污等杂质。接着，取出织物，用去离子水洗涤干净。最后，利用真空干燥箱烘干织物。

1.3.2 等离子体表面处理

对预处理得到的芳纶纬平针织物进行等离子体处理，氩气流速恒定为10 mL/min，处理时间为3 min。

1.3.3 硅烷偶联剂处理

首先在室温条件下，按照一定比例配置蒸馏水和无水乙醇的混合溶液，再采取外掺的方式向混合溶液中加入硅烷偶联剂，制备质量分数分别为1.0%、1.5%、2.0%的硅烷偶联剂溶液。接着，将配制好的硅烷偶联剂溶液静置水解。然后，将等离子体表面处理后的芳纶纬平针织物置于不同质量分数的硅烷偶联剂溶液中浸泡30 min。最后，去离子水清洗硅烷偶联剂溶液处理后的芳纶纬平针织物，再放入鼓风烘箱中烘干。

1.4 芳纶纬平针织复合材料的制备

本文将采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺，制备未改性芳纶纬平针织复合材料(1#)及等离子体-硅烷偶联剂(w硅烷偶联剂=1.0%、1.5%、2.0%)改性芳纶纬平针织复合材料(2#、3#、4#)，制备流程如图1所示。其中，有研究[15]表明，采用垂直对称铺层方式制备的复合材料，能在纵横方向上保持力学性能一致。因此，本文采用[0°/90°]4S即0°/90°/0°/90°/90°/0°/90°/0°的垂直对称铺层方式，共铺设了8层芳纶纬平针织物；环氧树脂与固化剂的质量配比为100∶30，固化时间为24 h，环氧树脂固化物的弹性模量为2.7～3.2 kN/m2；复合材料厚度为(3.9±0.1)mm。

图1 芳纶纬平针织复合材料的制备过程

2 芳纶纬平针织复合材料性能测试

2.1 拉伸性能

参照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》标准，采用Instron 3369型万能强力机测试复合材料的拉伸性能。

测试样如图2所示，为哑铃形长块。万能强力机的拉伸加载速率为2 mm/min。

图2 拉伸性能测试样尺寸(单位：mm)

2.2 弯曲性能

参照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准，利用Instron 3369型万能强力机，采用无约束支撑三点弯曲法对复合材料进行弯曲性能测试(图3)。试样尺寸为80 mm×15 mm，每组试样至少测5次，结果取平均值。

图3 弯曲性能测试样尺寸

2.3 压缩性能

参照GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》标准，利用Instron 3369型万能强力机，采用匀速加载的方式，沿试样轴向进行压缩性能测试(图4)。试样长宽尺寸为10 mm×10 mm。每组试样至少测5次，结果取平均值。

图4 压缩性能测试

2.4 冲击性能

参照ASTM D7136/D7136 M-15StandardTestMethodforMeasuringtheDamageResistanceofaFiber-ReinforcedPolymerMatrixCompositetoaDrop-WeightImpactEvent，利用Instron 9250HV冲击试验机，采用落锤法进行冲击性能测试。测试时，使用的不锈钢制半球形冲头直径为12.5 mm，总冲击质量(包括冲击器、十字头和力传感器)为 7.170 6 kg，冲击能量为 35 J。仪器配置有防回落装置，能避免冲击头对试样的二次冲击。测试样长宽尺寸为100 mm×150 mm。每组试样至少测 3 次，结果取平均值。

3 测试结果与讨论

3.1 拉伸性能

图5为本文制备的4种芳纶纬平针织复合材料的拉伸性能测试结果。

图5 芳纶纬平针织复合材料拉伸性能测试结果

由图5a)可以看出，与1#复合材料相比，改性芳纶纬平针织复合材料可承担的最大拉伸载荷有所提高。其中，3#复合材料即等离子体-硅烷偶联剂(w硅烷偶联剂=1.5%)改性芳纶纬平针织复合材料的最大拉伸载荷较1#复合材料的增加了32.73%，拉伸性能最佳。

进一步分析图5b)可知：拉伸应力-应变曲线初始阶段均表现为良好的线性关系，这与此时树脂承担着主要的拉伸载荷有关。随着拉伸测试的继续，1#复合材料因界面结合力较弱，拉伸应力-应变曲线很快出现了骤降。而2#、3#、4#复合材料的拉伸应力-应变曲线斜率呈缓慢变化，这与芳纶织物表面经氩气等离子体改性后产生了很多自由基，纤维表面粗糙度提高，织物表面活性增加，以及自由基可以与硅烷偶联剂中的非水解官能团反应，在芳纶表面形成硅烷膜有关。树脂会与硅烷偶联剂水解后产生的羟基相容，产生偶联反应，使得树脂对芳纶织物的黏结力增大。但随着硅烷偶联剂质量分数的增加，芳纶表面硅烷膜的厚度会不断增加，起初芳纶会因表面不均匀的凸起而使得与树脂的摩擦力增加，但当硅烷膜厚度值过大时，芳纶表面的包覆层将变得不牢固，易因外力而脱落，芳纶与树脂的结合力受影响。这便是2#和3#复合材料拉伸应力-应变曲线斜率缓慢增加，4#复合材料拉伸应力-应变曲线斜率缓慢下降的原因所在。当拉伸位移增加到一定值时，树脂基体破损并无法继续承受载荷，增强体开始承担主要的拉伸载荷并产生形变，直至复合材料整体结构被破坏或产生断裂，拉伸应力-应变曲线表现为骤降。

3.2 弯曲性能

图6为本文制备的4种芳纶纬平针织复合材料的弯曲性能测试结果。

由图6a)可以看出：与1#复合材料相比，改性芳纶纬平针织复合材料的最大弯曲载荷均有所增加。其中，3#复合材料的最大弯曲载荷较1#复合材料的提高了38.03%，弯曲性能优异。

进一步分析图6b)可知：复合材料的弯曲应力-应变曲线开始也都呈线性变化，此时的弯曲载荷主要由树脂基体承担，增强结构主要发生形变；随着弯曲载荷的增加，弯曲应力达到一定程度后，增强结构开始承受载荷，弯曲应力-应变曲线转变成非线性变化，直至弯曲应力达到最大值；之后，曲线会有轻微的波动，这与失效前树脂基体发生破裂有关。

图6 芳纶纬平针织复合材料弯曲性能测试结果

3.3 压缩性能

图7为本文制备的4种芳纶纬平针织复合材料的压缩性能测试结果。

图7 芳纶纬平针织复合材料压缩性能测试结果

由图7可以看到：与1#复合材料相比，改性芳纶纬平针织复合材料能承受的最大压缩载荷均有所增加，这与硅烷偶联剂水解产生的活性官能团和树脂反应，增加了界面黏结力，以及改性后芳纶表面包覆的硅烷膜增加了其表面粗糙度，增大了增强体与树脂基体间的摩擦力有关。其中，3#复合材料能承受的最大压缩载荷最高，其较1#复合材料的提高了24.83%。

3.4 冲击性能

图8为本文制备的4种芳纶纬平针织复合材料的冲击性能测试结果。

由图8a)可以看出：4种芳纶纬平针织复合材料的冲击载荷-时间曲线趋势基本相同，都随着时间的推移，冲击载荷先逐渐增加，直至复合材料表面发生严重损坏(表现为韧性破坏)达到峰值，然后冲击载荷下降。改性芳纶纬平针织复合材料的最大冲击载荷随着处理的硅烷偶联剂溶液质量分数的增加而先增后减。其中3#复合材料承受的最大冲击载荷最高，其较1#复合材料的增加了35.10%。

图8 芳纶纬平针织复合材料冲击性能测试结果

由图8b)可知：4种芳纶纬平针织复合材料吸收的冲击能量-时间曲线走势接近。其中，2#复合材料与1#复合材料对能量的吸收区别并不明显，但随着改性处理的硅烷偶联剂溶液质量分数的增加，3#和4#复合材料吸收的冲击能量先增后减，但较1#复合材料的仍有所增加。

对比数据发现，4种芳纶纬平针织复合材料吸收冲击能量大小顺序依次为3#>4#>2#>1#。其中，3#复合材料吸收的冲击能量比1#复合材料的增加了27.19%。

4 结论

本研究先采用等离子体联合硅烷偶联剂改性芳纶纬平针织物，再采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备了未改性芳纶纬平针织复合材料和3种改性芳纶纬平针织复合材料，并对4种芳纶纬平针织复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能和冲击性能进行测试，发现：

(1)改性芳纶纬平针织复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能和冲击性能较未改性的芳纶纬平针织复合材料的都有所改善。

(2)随着硅烷偶联剂质量分数的增加，改性芳纶纬平针织复合材料承受的最大拉伸载荷、最大弯曲载荷、最大压缩载荷和最大冲击载荷呈现先增加后减小的趋势，其中等离子体-硅烷偶联剂(w硅烷偶联剂=1.5%)改性芳纶纬平针织复合材料各项性能改善最明显，其能承受的最大拉伸载荷、最大弯曲载荷、最大压缩载荷和最大冲击载荷较未改性芳纶纬平针织复合材料的分别提高了32.73%、38.03%、24.83%和35.10%。