納米SiO2改性環(huán)氧樹脂碳纖維體育材料及性能試驗(yàn)

高會娜

摘 要：針對傳統(tǒng)體育器材環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料脆性大、耐沖擊性能差的問題，提出用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VATRM）制備用于體育器材的納米二氧化硅改性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，借助電子萬能試驗(yàn)機(jī)和落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了該復(fù)合材料的橫向拉伸性能和抗沖擊性能。結(jié)果表明：當(dāng)納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的橫向拉伸性能最佳，斷裂伸長率為0.5%;橫向拉伸強(qiáng)度為41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，比純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別提高124.2%和12.5%。經(jīng)納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊力為2 216 N，比純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊力提高了37.2%左右。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂碳纖維;體育材料;納米SiO2改性;拉伸性能;沖擊性能

中圖分類號：TQ?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料因?yàn)槠淞己玫目蛊诤涂垢g性能，常用于體育器材的制作。但隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料固化后，橫向拉伸性能差，抗沖擊能力弱，使得其運(yùn)用范圍受到了極大的限制。為讓環(huán)氧樹脂碳纖維在體育器材方面得到更廣泛運(yùn)用，有學(xué)者采用熱壓成型技術(shù)制備了網(wǎng)球拍用的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并通過試驗(yàn)證明了該方法制備的三向織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料各方面性能皆表現(xiàn)良好;采用碳納米管對環(huán)氧樹脂體系以及碳纖維進(jìn)行改性處理，提升環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的整體性能[2]。以上學(xué)者的研究成果表明，改變復(fù)合材料的成型方法和對復(fù)合材料進(jìn)行改性都是提升碳纖維復(fù)合材料的有效方式，但具體成型方法和改性材料還存在很大的研究空間?；诖?，本文嘗試采用目前最新真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VATRM），以納米二氧化硅作為改性材料制備體育用二氧化硅改性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，并對其性能進(jìn)行研究，希望為提升環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料性能提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料：SiO2（廣州南硅化工有限公司，納米級）、環(huán)氧樹脂（青島百辰新材料科技有限公司，E44）、碳纖維織布（河北富瑞復(fù)合材料有限公司，纖維直徑5～20 μm）

試驗(yàn)設(shè)備：電子天平（河北德科機(jī)械科技有限公司，H0503）、真空干燥箱（鞏義市宏華儀器設(shè)備工貿(mào)有限公司，DZF-6050）、高速剪切儀（滄州晟鎧儀器設(shè)備有限公司，GS-1）、超聲波清洗機(jī)（常州國華電器有限公司，CS-1）、電子萬能試驗(yàn)機(jī)（協(xié)強(qiáng)儀器制造（上海）有限公司，CTM2050）、落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)（江蘇維科特儀器儀表有限公司，WKT-LC200）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 納米二氧化硅環(huán)氧樹脂分散物制備

（1）用H0503型電子天平稱取300 g環(huán)氧樹脂，然后置于DZF-6050型真空干燥箱內(nèi)，在45 ℃條件下加熱5 min;

（2）按照二氧化硅環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%、0.5%稱取一定量納米二氧化硅;

（3）將預(yù)熱后環(huán)氧樹脂取出，然后調(diào)整GS-1型高速剪切儀高度，將轉(zhuǎn)頭放入環(huán)氧樹脂正中間，放置時(shí)要注意轉(zhuǎn)頭緊貼杯壁;

（4）打開高速剪切儀，調(diào)整其轉(zhuǎn)速至104r/min。將納米二氧化硅平均分成3份，每隔10 min在環(huán)氧樹脂中加入一份納米二氧化硅，直至納米二氧化硅加完。在攪拌過程中，需要不斷改變轉(zhuǎn)頭的位置，避免出現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象;

（5）提前將CS-1型超聲波清洗機(jī)預(yù)熱至60 ℃，然后將攪拌均勻的環(huán)氧樹脂混合物放入超聲波清洗機(jī)中;打開超聲波清洗機(jī)對混合物進(jìn)行超聲震蕩。超聲溫度、頻率和時(shí)間分別為60 ℃、40 kHz和60 min。

1.2.2 VARTM 成型工藝制備體育用的改性環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料

（1）提前在光滑剛性玻璃模具上涂抹3次脫模蠟，每次涂抹都需要等到脫模蠟完全干透方可繼續(xù)涂抹。將脫模布置于提前處理過的玻璃模具上，放置時(shí)要注意鋪放整齊。然后將6層碳纖維布統(tǒng)一方向鋪放在脫模布上，最后根據(jù)要求放置導(dǎo)流管和螺旋管，鋪設(shè)工藝如圖1所示;

（2）將所有材料鋪設(shè)好后，在其四周隔一定距離粘貼密封膠帶，然后將真空薄膜袋粘貼在密封膠帶上。粘貼真空薄膜袋時(shí)要注意薄膜袋與密封膠帶間不要留有空隙，避免試驗(yàn)失敗;

（3）用止流鉗將樹脂兩側(cè)真空管夾緊，打開真空泵開關(guān)，待真空表指針指向-0.1 MPa，確定是否漏氣。若密封狀態(tài)良好，將納米無機(jī)粒子環(huán)氧樹脂分散劑與固化劑按照5∶1比例混合均勻后，導(dǎo)入玻璃模具中，然后將兩端樹脂夾緊;

（4）將玻璃模具置于室溫條件下固化，一段時(shí)間后，取出完全固化的復(fù)合材料。觀察復(fù)合材料表面是否完整，有無浸潤不完全、氣泡和干斑現(xiàn)象出現(xiàn)。如有上述情況出現(xiàn)需舍棄。

1.3 性能測定

1.3.1 體育用SiO2改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的橫向拉伸性能測定

（1）參照ASTM D3039 標(biāo)準(zhǔn)將復(fù)合材料切割成尺寸為25 mm×125 mm，厚度為2 mm的拉伸試驗(yàn)樣品，每組5個(gè)，共3組;

（2）將引伸計(jì)用皮筋固定在試樣上，然后調(diào)節(jié)CTM2050型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上下夾頭，使之保持一定距離。之后分別將試樣的上下兩端置于萬能試驗(yàn)機(jī)上下卡具中部。最后調(diào)整上下夾頭距離，確保試樣保持垂直對中性同時(shí)不受卡具壓力;

（3）打開電子萬能試驗(yàn)機(jī)，以2 mm/min的加載速度對試件施加荷載。

試件拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂伸長率表達(dá)式分別為：

σt=Pb-h

Et=ΔσtΔεt

εt=ε15×50

式中：σt表示復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度;Et表示復(fù)合材料拉伸模量;ε1表示引伸計(jì)應(yīng)變量;Δσt表示試件承受的應(yīng)力增量;Δεt表示拉伸試件的應(yīng)變;P表示試件承受的荷載;b表示試件寬度;h表示試件厚度。

1.3.2 體育用SiO2改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沖擊性能測定

（1）參照ASTM 7136 標(biāo)準(zhǔn)將復(fù)合材料切割成尺寸為100 mm×150 mm，厚度為2 mm的沖擊試驗(yàn)樣品，每組5個(gè)，共3組;

（2）提前對試件表面中心位置進(jìn)行標(biāo)記，將試件置于WKT-LC200型落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)夾具適當(dāng)位置，并將試件鎖死;

（3）選擇直徑為16 mm的球形沖頭進(jìn)行測試。將沖頭對準(zhǔn)試件中心落下，觀察試件變化，并繪制沖擊載荷-時(shí)間曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 體育用納米SiO2改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料橫向拉伸性能

表1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料橫向拉伸性能測定結(jié)果。

由表1可知，隨納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料拉伸性能表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料性能最佳。此時(shí)復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度為41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，斷裂伸長率為0.5%;拉伸強(qiáng)度和模量分別比純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料提高了124.2%和12.5%。納米二氧化硅改性環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料拉伸性能出現(xiàn)先增加后減小變化的原因是納米二氧化硅粒子粒徑小，比表面積大，能夠與高分子材料的很好的相容;與環(huán)氧樹脂結(jié)合的時(shí)候，能夠產(chǎn)生更多的Si—O化學(xué)鍵，在拉伸過程中對微裂縫的長大延伸起到延緩和鈍化作用，使得復(fù)合材料拉伸性能有所提升。隨著納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在體系內(nèi)易出現(xiàn)聚集成團(tuán)的現(xiàn)象，使得納米二氧化硅無法在環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料中分散均勻。復(fù)合材料受外部荷載時(shí)，微裂紋瞬間成為宏觀斷裂，導(dǎo)致其性能下降。同時(shí)，納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會導(dǎo)致混合溶液黏度變大，不利于VARTM 成型工藝對復(fù)合材料改性。

2.2 體育用納米SiO2改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊性能分析

圖2、圖3分別表示在20 J沖擊能量下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米二氧化硅改性環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的沖擊載荷、能量與時(shí)間的關(guān)系曲線。

由圖2可知，經(jīng)納米二氧化硅改性，復(fù)合材料沖擊荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律表現(xiàn)為類正弦變化。在沖擊初始過程中，沖擊載荷隨時(shí)間的增加而增加，但沒經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料載荷-時(shí)間曲線變化增長速度要大于經(jīng)納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂碳纖維經(jīng)納米二氧化硅改性后，碳碳鍵總鍵能比硅氧鍵鍵能高，使得其耐沖擊能力增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊力為2 216 N，比純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊力1 615 N提高了37.2%左右。這是因?yàn)樵诟男赃^程中，納米二氧化硅粒子提高了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度。在承受沖擊載荷時(shí)，二氧化硅能夠承擔(dān)傳遞部分載荷，再加上納米二氧化硅粒子比表面積大，表面羥基含量高，化學(xué)性能活潑，與環(huán)氧樹脂接觸機(jī)會大，使得其沖擊性能大大增加。在體育器材制備方面得到更為廣泛的應(yīng)用。

由圖3可知，兩種復(fù)合材料的能量-試件曲線迅速增加至20 J能量后，慢慢的趨于平衡。納米二氧化硅改性復(fù)合材料曲線增長速度相對較快，這就說明沖擊作用時(shí)間較少，能夠提前達(dá)到最大沖擊力。

3 結(jié)語

本文利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制備二氧化硅改性環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。通過對其橫向性能和拉伸性能的研究，得到的具體結(jié)論如下：

（1）橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，隨納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料橫向拉伸性能表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料橫向拉伸性能最佳。此時(shí)復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度為41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，斷裂伸長率為0.5%;

（2）復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，納米二氧化硅能一定程度提高環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料。純環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料最大沖擊載荷為1 615 N，經(jīng)納米二氧化硅改性后，復(fù)合材料最大沖擊載荷提升至2 216 N。能量-時(shí)間曲線結(jié)果表明，經(jīng)改性后的復(fù)合材料增長至20 J能量的時(shí)間較短，能夠提前達(dá)到最大沖擊力。

綜上所述，本文制備的體育用納米SiO2改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和抗沖擊性能，能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大沖擊力，可在體育器材的制備方面得到廣泛運(yùn)用。

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