新疆理化所在玄武巖纖維增強高分子復合材料界面脫粘研究領(lǐng)域取得進展

玄武巖纖維是一種由玄武巖礦石為原料，通過熔融拉絲工藝制備的高性能纖維材料，因具有無毒、力學性能優(yōu)異、耐腐蝕等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用于制備纖維增強高分子復合材料(FRP)并被用于交通、建筑等多個領(lǐng)域。在FRP中，纖維表面與基體之間形成的區(qū)域稱之為界面，其主要作用是將外界負載通過界面由高分子基體傳遞至纖維，從而使FRP的宏觀性能得到顯著提升。界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對于應力傳遞過程尤為重要，而纖維和基體之間的界面脫粘是導致FRP結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，因此建立FRP材料界面脫粘預警和監(jiān)測技術(shù)對于評價材料的壽命及服役行為具有重要意義。

近期，中科院新疆理化所環(huán)境科學與技術(shù)研究室科研人員建立了一種用于監(jiān)測玄武巖纖維增強高分子復合材料界面脫粘研究的新方法。科研人員發(fā)現(xiàn)具有聚集誘導發(fā)光(AIE)效應的有機小分子四-(4-硝基苯)乙烯(TPE-4N)具有熒光“開關(guān)轉(zhuǎn)換”的特性：材料以結(jié)晶態(tài)形式存在時幾乎不發(fā)光，但在研磨轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)后發(fā)出強烈的綠色熒光，而且該小分子在玻璃、金屬等表面上具有優(yōu)異的成膜性能。基于上述現(xiàn)象，科研人員采用簡單的浸涂工藝制備了表面涂覆有TPE-4N的玄武巖纖維。對纖維的表面形貌進行觀察發(fā)現(xiàn)TPE-4N分子可在纖維表面形成一層均勻的涂層，此時纖維發(fā)出明亮的綠色熒光；當該纖維在150℃熱處理后，其表面的TPE-4N涂層發(fā)生了由無定型態(tài)向結(jié)晶態(tài)的相轉(zhuǎn)變，熒光幾乎完全猝滅。對熱處理后的玄武巖纖維試樣進行拉伸，發(fā)現(xiàn)拉伸前試樣基本沒有熒光，但當纖維在應力作用下發(fā)生部分斷裂后，此時由于纖維表面涂覆的TPE-4N結(jié)晶涂層受到破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，這使得試樣重新發(fā)出明顯的綠色熒光。

科研人員將上述纖維包埋在柔性高分子基體(聚二甲基硅氧烷，PDMS)基體中制備出玄武巖纖維增強FRP試樣(BFRP)，并對其在拉伸條件下的熒光行為進行了研究。研究發(fā)現(xiàn) TPE-4N/BFRP 試樣的脫粘應變(6.29%)與 BFRP試樣的脫粘應變(6.93%)基本相同，這表明在界面處引入TPE-4N對BFRP的力學性能的影響較小。TPE-4N/BFRP試樣在拉伸應變達到5.25%時出現(xiàn)了灰度值的突變，早于其完全脫粘時的應變(為 6.29%)，表明 TPE-4N可以用于BFRP材料的早期界面脫粘預警檢測。簡而言之，通過檢測BFRP材料熒光信號的強弱，即可評價相應材料的健康狀況，該方法為實時預測材料的壽命提供了一種新的途徑。(新疆理化技術(shù)研究所)