纖維增強環氧樹脂復合材料性能研究進展

秦小山，馮 靜，王仁舒，張曉青

(六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州六盤水 553004)

環氧樹脂(EP)是一類分子結構中含有兩個或多個環氧基團的高分子有機化合物，因其良好粘附力在復合材料中作為基體樹脂被廣泛的應用，是一種綜合性能十分優異的熱固性聚合物。具有粘附力強、收縮性低，機械性能、化學穩定性、尺寸穩定性優良等特點［1－3］，在膠粘劑、儀表、輕工、建筑、機械、電子電氣、涂料、航天及先進復合材料等領域也被廣泛應用。然而由于EP固化后存在質脆、耐沖擊性差、容易開裂、韌性較差、強度有待提高等缺陷，又限制了EP的應用范圍。

為了改進EP的性能，業內研究人員提出增韌改性EP方法有:加入橡膠類彈性體［4］、使用含有柔軟分子結構的材料［5］等。但這類方法存在著不足:在改良EP韌性的同時通常會影響其耐熱性等其它性能。近年來又提出改性方法還包括化學共聚法、熱敏液晶聚合物結構增韌法、納米材料改性法［6－9］、纖維改性法等。其中，用纖維對EP進行改性的研究成為當前的研究焦點。

1 玄武巖纖維

玄武巖連續纖維原料為玄武巖礦石，將其破碎后加入熔窖，在1450～1500℃的高溫狀態下熔融后，經過鉑銠合金漏板拉伸等工序而形成［10］。具有力學強度高、耐腐蝕性好、價格低廉、原料易得、低導熱性等多重優良性能［11］，制造過程無危害，能直接降解為泥土，是21世紀的“綠色工業材料”。

劉建［12］等以EP為基體、玄武巖短纖維為增強材料，研究了幾種不同玄武巖短纖維含量對復合材料拉伸強度和耐磨性能的影響。得出結論，玄武巖短纖維/環氧樹脂復合材料的抗拉強度和時磨性能與純環氧樹脂相比均得到了改善，當玄武巖短纖維的含量為8%時，復合材料的拉伸強度最大;當玄武巖短纖維的含量為6%時，磨損率最小。徐茂偉用20%重鉻酸鉀、30%濃硫酸將聚丙烯臘基連續碳纖維在100℃下氧化處理15 min后與環氧樹脂作用制成復合材料，測得其沖擊強度為72．05 kJ/m2，與未改性處理碳纖維填充的復合材料相比提升了101．93%［13］。

2 碳纖維

碳纖維是由黏膠、瀝青或聚丙烯腈等有機纖維在N2、稀有氣體等惰性氣體中經1500℃高溫碳化所形成的纖維狀聚合物碳，其含碳量大于90%(質量分數)。質量輕、比強度高、比模量高(抗拉、抗彎、抗扭)、電、傳熱、耐疲勞等是碳纖維的優異性能，同時擁有超強適應環境能力和較強的抗化學藥劑腐蝕能力，被稱謂為“21世紀最有生命力新型材料”［14］。

葛鐵軍［15］等以不同含量的二乙烯三胺固化的EP為基體，制備了碳纖維增強樹脂基復合材料。結果表明;碳纖維增強樹脂基復合材料具有良好的耐候性、力學性能、而且還具有質量輕、高比強度等一系列優異的性能。藍承東［16］等采用硅烷偶聯劑KH－560改性短切碳纖維(CF)，并將其與聚氨酯增韌劑以及環氧樹脂復合制備了CF增強環氧基形狀記憶復合材料。結果表明:改性CF的加入提高了體系的拉伸強度和沖擊強度，且與CF的用量有關。錢鑫［17］等采用陽極氧化法對炭纖維的表面進行處理，通過改變氧化程度制備具有不同表面化學結構的炭纖維，并將其作為增強體再制備成復合材料。研究了炭纖維表面化學結構對其增強EP基復合材料性能的影響。結果表明，陽極氧化處理后炭纖維表面活性大幅提高，O、N元素含量分別由處理前的 3．10%，1．12%提高到處理后的 13．07%，5．96%。

3 玻璃纖維

玻璃纖維增強EP復合材料是國防科技、航天航空、建筑、交通及智能電網自動化等領域的重要材料，具有抗疲勞性能、耐久性能、絕緣性能好和輕質高強等特點。

張海寬［18］等以雙酚A型環氧樹脂E51、長鏈聚醚胺固化劑D400和EWR200型玻璃纖維布制備玻璃鋼板，利用隔聲室測試隔聲性能，考察玻璃纖維布層數對隔聲性能的影響規律，實驗研究顯示:隨著玻璃纖維布層數的增加，隔聲性能不斷提高，變化規律復合單層均質材料的隔聲特性曲線，吻合效應向低頻移動，同時減弱了阻尼控制區的共振。

以EP為基體，以玻璃纖維(GF)為增強體的復合料以不同的配比，分別進行了不同溫度準靜態載荷下及常溫動態載荷下的壓縮試驗。結果表明:在準靜態載荷下，溫度越高，試件的屈服強度越低，試件的彈性模量和屈服強度具有明顯的溫度依賴性;GF含量的增加，在一定程度上增大了試件的韌性［19］。

4 其他纖維

除了上述幾種纖維外，其他如菠蘿纖維、玉米秸稈纖維［20］、竹纖維［21］、香蕉纖維等天然纖維均能改性環氧樹脂，其中利用改性香蕉天然纖維制與環氧樹脂作用制備新型復合材料，與未改性的香蕉纖維相比，復合材料的拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度分別提高了 1．8、1．0、2．6 倍［22］。此外，芳綸纖維/環氧樹脂復合材料以其高的比強度和比模量成為航空航天領域被廣泛應用的先進復合材料。郭明映［23］國等也對紫外老化對芳綸纖維/環氧樹脂復合材料性能的影響做了研究。結果表明:在經過紫外老化后，復合材料的拉伸強度出現變化。

5 結語

隨著高新技術的發展，纖維改性環氧樹脂復合材料的研究日益深入，在使用纖維改性后，環氧樹脂的強度、抗拉伸、耐磨性等都得到了提高。但是，由于纖維材料本身的結構狀態、物化性質等影響了與樹脂基體兼容性，使得纖維與環氧樹脂復合材料仍存在許多缺陷。為使纖維材料與樹脂基體能夠很好相容以及在環氧樹脂中均勻地分布，還需要探索適當的方法對纖維材料本身進行有機化改性。同時從纖維材料與樹脂基體相互作用的機理以及開發新型纖維都是今后纖維改性環氧樹脂的研究重點。