偶聯劑對玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料力學性能的影響

王新玲，陳自然

（1成都航空職業技術學院航空工程學院，四川 成都 610000；2四川職業技術學院建筑與環境工程系，四川 遂寧 629000）

偶聯劑對玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料力學性能的影響

王新玲1，陳自然2

（1成都航空職業技術學院航空工程學院，四川 成都 610000；2四川職業技術學院建筑與環境工程系，四川 遂寧 629000）

在使用三種偶聯劑對玻璃纖維進行預處理的基礎上，采用手糊成型工藝制備了玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料.并用萬能拉伸試驗機對其進行力學性能測試，比較不同偶聯劑預處理和未處理的玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料拉伸性能的差異.結果表明，偶聯劑A-151預處理法使抗拉強度提高最為顯著，提高了51.1%；鈦酸酯偶聯劑401使抗拉強度提高了47.5%，硅烷偶聯劑KH-550使抗拉強度提高了27.4%.

偶聯劑；玻璃纖維；手糊成型；環氧樹脂

玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料具有密度小、強度高、剛性好、耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、加工成型簡便等特點，并具有材料可設計性及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等優點[1-5]，因而被廣泛用于航空、航天領域，如導彈彈頭和衛星整流罩、宇宙飛船的放熱材料、飛行器的艦船殼體、翼片和螺旋槳[6-7]等.

界面的粘結性能是決定復合材料力學性能優劣的重要因素之一[8-10].玻璃纖維的表面積是同質量塊狀玻璃的千倍以上，例如直徑5.6～9μm的纖維，其比表面積可達0.2～0.55m2/g,比塊狀玻璃大1000～2000倍.如此大的比表面積必然影響到材料性質以及它與其它材料之間的粘結性.另外玻璃纖維為無機表面，本身與樹脂親和性很差.為了改善玻璃纖維的表面性能，許多化學工作者做了大量細致的研究。研究結果顯示，偶聯劑可被用作玻璃纖維的表面處理劑以改善玻璃纖維的表面性能，實現無機物和有機物之間良好的界面結合，起到了一個橋梁的作用，因而選擇合適的偶聯劑對于玻璃纖維的應用效果影響巨大.如I g l es ia s[11-13]等研究了經硅烷偶聯劑處理的玻璃纖維增強環氧復合材料的微觀界面結構與宏觀性能之間的關系.本研究選用了三種不同的偶聯劑對玻璃纖維進行預處理，著重探索了偶聯劑對玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料拉伸強度的影響.

1 實驗及測試

1.1 原材料

玻璃纖維布(面密度138 g/m2,四川威遠至誠新材料有限公司)；環氧樹脂(E-4675，昆山祥豐新復合材料有限公司)；固化劑(H-4073-3，昆山祥豐新復合材料有限公司)；乙醇溶液(G B10343-2008,江西草珊瑚消毒用品有限公司)；偶聯劑(K H-550，濟南興飛隆化工有限公司)；偶聯劑(A-151，廣州市守正化工科技有限公司)；鈦酸酯偶聯劑401(佛山市騏邦化工有限公司).

1.2 儀器與設備

恒溫烘箱(O B-214X-C B F型，成都市大威工業爐制造有限公司)；復合材料力學性能試驗機(HY-10080型，上海衡翼精密儀器有限公司)；真空泵(F Y-1H-N型，浙江飛越機電有限公司).

1.3 試樣制備

試樣的制備工藝過程如下圖所示：

玻璃纖維經偶聯劑處理后于120℃,4h條件下干燥處理后，取出冷卻至室溫.裁剪成試樣件需要的尺寸，配置環氧樹脂膠液：樹脂和固化劑的比例為3:1，浸膠進行手糊成型工藝，鋪10層玻璃纖維布后，打袋抽真空，60℃在烘箱里固化3h.取出試件修剪打磨，最后在樣件兩端粘貼鋁片，防止進行拉伸試驗時脫落.

1.4 性能測試與結構表征

在萬能材料試驗機上做拉伸試驗，是根據A S T M D638-03美國標準進行測試，試樣形狀為I類型的骨頭狀，如圖1所示，測試速度為5mm/m in，每組試樣測試3個樣條，求得平均值.

圖1 拉伸試驗件

拉伸強度按公式σt=F/A0計算，其中：σt為拉伸強度（M P a）;F為最大拉伸載荷（N）;A0為試樣橫截面積(mm2).

2 結果與討論

偶聯劑能夠改變無機物和高分子聚合物之間的界面能，并在界面之間形成化學或物理的“分子橋”使無機物玻璃纖維與有機物高分子聚合物牢固結合起來[14-15].表1所示為對拉伸試驗件在復合材料力學性能試驗機的測試結果；試驗件的拉伸強度比較結果見圖2.

樹脂基體和增強材料之間的浸潤性越好，界面黏結強度越大，復合材料的力學性能就越好.由圖2可以看出，未處理的普通試件拉伸強度為100.86 M P a，而經過K H-550處理的試件拉伸強度為128.48 M P,提高了27.4%；經鈦酸酯401處理的試件拉伸強度為148.77M P a，提高了47.5%；經過A-151處理的試件拉伸強度為152.35M P a，提高了51.1%.選擇硅烷偶聯劑A-151，對拉伸強度提高效果最明顯.大量研究發現[11-15]，玻璃纖維經硅烷偶聯劑處理后，玻纖表面產生與玻纖有化學鍵合的活性官能團，這些官能團可與基體樹脂有很好的物理或化學結合，顯著提高纖維對樹脂的浸潤性能，增加了玻纖與聚合物之間的粘結力，并起到了傳遞應力作用，同時它可修補及填平在拉絲過程中玻纖表面產生的微小裂紋，提高玻璃纖維的本身強度.

表1 試驗件測試結果

圖2試驗件拉伸強度比較

盡管偶聯劑既可提高樹脂基體和玻璃纖維之間的相容性，也能改善玻璃纖維和聚合物之間的界面情況，但偶聯劑的用量不能太多.這是因為偶聯劑用量過多，會使偶聯劑分子間發生縮水反應，分子間不斷堆積，在玻璃纖維增強材料和基體材料之間形成一個弱界面層，從而影響復合材料的界面粘結強度.因此只有在一定濃度下，才能在玻璃纖維的表面形成一層偶聯劑分子膜.

3 結論

本文使用硅烷偶聯劑K H-550、硅烷偶聯劑A-151、鈦酸酯偶聯劑401對玻璃纖維進行預處理，采用手糊成型工藝制備了玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料.并用萬能拉伸試驗機對其進行力學性能測試，分析了不同預處理方法對玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料力學性能的影響.

通過化學實驗和力學性能測試得出了以下幾個結論：

(1)經氨基硅烷K H-550處理的玻璃纖維布硬且硬度挺高.

(2)與未經偶聯劑處理的玻璃纖維比較，偶聯劑處理后的玻璃纖維布厚度明顯增加，機械強度顯著提高.未處理的普通試件拉伸強度為100.86 M P a，而經過K H-550處理的試件拉伸強度為128.48 M P,提高了27.4%；經鈦酸酯401處理的試件拉伸強度為148.77M P a，提高了47.5%；經過A-151處理的試件拉伸強度為152.35M P a，提高了51.1%.

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責任編輯：張隆輝

TB332

A

1672-2094（2017）02-0159-03

2017-02-20

王新玲（1978-），女，上海人，成都航空職業技術學院助教，碩士.研究方向：復合材料工程技術.