等離子體-硅烷偶聯劑改性芳綸緯平針織復合材料的力學性能研究*

李翠玉 王林心 宋佳佳 崔月巖

1.天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387

芳綸是一種由苯環和酰胺鍵組成的新型合成纖維，其大分子鏈中至少有85%的酰胺鍵直接與苯環相連，具有密度低、比強度高、比模量高和耐高溫等優異的性能，其可作為聚合物復合材料中的增強材料，已受到廣泛的關注[1-2]。如以芳綸織物作為增強體制備的復合材料，已被廣泛應用于航空航天、體育運動等領域。但芳綸表面缺乏化學活性基團，故較難與樹脂基體形成有效的機械聯鎖，界面聯結強度較弱，這將影響芳綸增強復合材料的力學性能，限制了其應用[3-6]。因此，對芳綸纖維/織物進行改性，改善芳綸纖維/織物與基體材料黏結不良的狀況，對提升芳綸增強復合材料力學性能很有必要。

綜上可知，對芳綸纖維/織物進行表面改性，可制備綜合性能優異的復合材料。本文將選用氬氣等離子體和不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液對芳綸緯平針織物改性，以提高芳綸表面的活性，增強芳綸與樹脂間的黏結力；再采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型(VARTM)工藝制備未改性芳綸緯平針織復合材料及等離子體-硅烷偶聯劑改性芳綸緯平針織復合材料，通過測試未改性及改性芳綸緯平針織復合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能和沖擊性能，研究芳綸緯平針織物改性對其復合材料力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用主要材料和試劑如表1所示。

表1 試驗用主要材料及試劑

1.2 芳綸緯平針織物的制備

先使用DSTW-01 型數字式小樣并捻聯合機對芳綸長絲進行加捻，加捻參數如表2所示。

表2 加捻參數設計

再采用龍星牌LXC-252SCS型電腦橫機將加捻的芳綸長絲織制成橫密為50縱行/(5 cm)、縱密為40橫列/(5 cm)、尺寸為30 cm×30 cm的芳綸緯平針織物。

1.3 芳綸緯平針織物的改性

改性過程主要分3個階段，分別為預處理、氬氣等離子體表面處理及硅烷偶聯劑處理。

1.3.1 預處理

先將芳綸緯平針織物浸沒在乙醇溶液中進行超聲清洗，以去除纖維與織物表面的油污等雜質。接著，取出織物，用去離子水洗滌干凈。最后，利用真空干燥箱烘干織物。

1.3.2 等離子體表面處理

對預處理得到的芳綸緯平針織物進行等離子體處理，氬氣流速恒定為10 mL/min，處理時間為3 min。

1.3.3 硅烷偶聯劑處理

首先在室溫條件下，按照一定比例配置蒸餾水和無水乙醇的混合溶液，再采取外摻的方式向混合溶液中加入硅烷偶聯劑，制備質量分數分別為1.0%、1.5%、2.0%的硅烷偶聯劑溶液。接著，將配制好的硅烷偶聯劑溶液靜置水解。然后，將等離子體表面處理后的芳綸緯平針織物置于不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液中浸泡30 min。最后，去離子水清洗硅烷偶聯劑溶液處理后的芳綸緯平針織物，再放入鼓風烘箱中烘干。

1.4 芳綸緯平針織復合材料的制備

本文將采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝，制備未改性芳綸緯平針織復合材料(1#)及等離子體-硅烷偶聯劑(w硅烷偶聯劑=1.0%、1.5%、2.0%)改性芳綸緯平針織復合材料(2#、3#、4#)，制備流程如圖1所示。其中，有研究[15]表明，采用垂直對稱鋪層方式制備的復合材料，能在縱橫方向上保持力學性能一致。因此，本文采用[0°/90°]4S即0°/90°/0°/90°/90°/0°/90°/0°的垂直對稱鋪層方式，共鋪設了8層芳綸緯平針織物；環氧樹脂與固化劑的質量配比為100∶30，固化時間為24 h，環氧樹脂固化物的彈性模量為2.7～3.2 kN/m2；復合材料厚度為(3.9±0.1)mm。

圖1 芳綸緯平針織復合材料的制備過程

2 芳綸緯平針織復合材料性能測試

2.1 拉伸性能

參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》標準，采用Instron 3369型萬能強力機測試復合材料的拉伸性能。

測試樣如圖2所示，為啞鈴形長塊。萬能強力機的拉伸加載速率為2 mm/min。

圖2 拉伸性能測試樣尺寸(單位：mm)

2.2 彎曲性能

參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》標準，利用Instron 3369型萬能強力機，采用無約束支撐三點彎曲法對復合材料進行彎曲性能測試(圖3)。試樣尺寸為80 mm×15 mm，每組試樣至少測5次，結果取平均值。

圖3 彎曲性能測試樣尺寸

2.3 壓縮性能

參照GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》標準，利用Instron 3369型萬能強力機，采用勻速加載的方式，沿試樣軸向進行壓縮性能測試(圖4)。試樣長寬尺寸為10 mm×10 mm。每組試樣至少測5次，結果取平均值。

圖4 壓縮性能測試

2.4 沖擊性能

參照ASTM D7136/D7136 M-15StandardTestMethodforMeasuringtheDamageResistanceofaFiber-ReinforcedPolymerMatrixCompositetoaDrop-WeightImpactEvent，利用Instron 9250HV沖擊試驗機，采用落錘法進行沖擊性能測試。測試時，使用的不銹鋼制半球形沖頭直徑為12.5 mm，總沖擊質量(包括沖擊器、十字頭和力傳感器)為 7.170 6 kg，沖擊能量為 35 J。儀器配置有防回落裝置，能避免沖擊頭對試樣的二次沖擊。測試樣長寬尺寸為100 mm×150 mm。每組試樣至少測 3 次，結果取平均值。

3 測試結果與討論

3.1 拉伸性能

圖5為本文制備的4種芳綸緯平針織復合材料的拉伸性能測試結果。

圖5 芳綸緯平針織復合材料拉伸性能測試結果

由圖5a)可以看出，與1#復合材料相比，改性芳綸緯平針織復合材料可承擔的最大拉伸載荷有所提高。其中，3#復合材料即等離子體-硅烷偶聯劑(w硅烷偶聯劑=1.5%)改性芳綸緯平針織復合材料的最大拉伸載荷較1#復合材料的增加了32.73%，拉伸性能最佳。

進一步分析圖5b)可知：拉伸應力-應變曲線初始階段均表現為良好的線性關系，這與此時樹脂承擔著主要的拉伸載荷有關。隨著拉伸測試的繼續，1#復合材料因界面結合力較弱，拉伸應力-應變曲線很快出現了驟降。而2#、3#、4#復合材料的拉伸應力-應變曲線斜率呈緩慢變化，這與芳綸織物表面經氬氣等離子體改性后產生了很多自由基，纖維表面粗糙度提高，織物表面活性增加，以及自由基可以與硅烷偶聯劑中的非水解官能團反應，在芳綸表面形成硅烷膜有關。樹脂會與硅烷偶聯劑水解后產生的羥基相容，產生偶聯反應，使得樹脂對芳綸織物的黏結力增大。但隨著硅烷偶聯劑質量分數的增加，芳綸表面硅烷膜的厚度會不斷增加，起初芳綸會因表面不均勻的凸起而使得與樹脂的摩擦力增加，但當硅烷膜厚度值過大時，芳綸表面的包覆層將變得不牢固，易因外力而脫落，芳綸與樹脂的結合力受影響。這便是2#和3#復合材料拉伸應力-應變曲線斜率緩慢增加，4#復合材料拉伸應力-應變曲線斜率緩慢下降的原因所在。當拉伸位移增加到一定值時，樹脂基體破損并無法繼續承受載荷，增強體開始承擔主要的拉伸載荷并產生形變，直至復合材料整體結構被破壞或產生斷裂，拉伸應力-應變曲線表現為驟降。

3.2 彎曲性能

圖6為本文制備的4種芳綸緯平針織復合材料的彎曲性能測試結果。

由圖6a)可以看出：與1#復合材料相比，改性芳綸緯平針織復合材料的最大彎曲載荷均有所增加。其中，3#復合材料的最大彎曲載荷較1#復合材料的提高了38.03%，彎曲性能優異。

進一步分析圖6b)可知：復合材料的彎曲應力-應變曲線開始也都呈線性變化，此時的彎曲載荷主要由樹脂基體承擔，增強結構主要發生形變；隨著彎曲載荷的增加，彎曲應力達到一定程度后，增強結構開始承受載荷，彎曲應力-應變曲線轉變成非線性變化，直至彎曲應力達到最大值；之后，曲線會有輕微的波動，這與失效前樹脂基體發生破裂有關。

圖6 芳綸緯平針織復合材料彎曲性能測試結果

3.3 壓縮性能

圖7為本文制備的4種芳綸緯平針織復合材料的壓縮性能測試結果。

圖7 芳綸緯平針織復合材料壓縮性能測試結果

由圖7可以看到：與1#復合材料相比，改性芳綸緯平針織復合材料能承受的最大壓縮載荷均有所增加，這與硅烷偶聯劑水解產生的活性官能團和樹脂反應，增加了界面黏結力，以及改性后芳綸表面包覆的硅烷膜增加了其表面粗糙度，增大了增強體與樹脂基體間的摩擦力有關。其中，3#復合材料能承受的最大壓縮載荷最高，其較1#復合材料的提高了24.83%。

3.4 沖擊性能

圖8為本文制備的4種芳綸緯平針織復合材料的沖擊性能測試結果。

由圖8a)可以看出：4種芳綸緯平針織復合材料的沖擊載荷-時間曲線趨勢基本相同，都隨著時間的推移，沖擊載荷先逐漸增加，直至復合材料表面發生嚴重損壞(表現為韌性破壞)達到峰值，然后沖擊載荷下降。改性芳綸緯平針織復合材料的最大沖擊載荷隨著處理的硅烷偶聯劑溶液質量分數的增加而先增后減。其中3#復合材料承受的最大沖擊載荷最高，其較1#復合材料的增加了35.10%。

圖8 芳綸緯平針織復合材料沖擊性能測試結果

由圖8b)可知：4種芳綸緯平針織復合材料吸收的沖擊能量-時間曲線走勢接近。其中，2#復合材料與1#復合材料對能量的吸收區別并不明顯，但隨著改性處理的硅烷偶聯劑溶液質量分數的增加，3#和4#復合材料吸收的沖擊能量先增后減，但較1#復合材料的仍有所增加。

對比數據發現，4種芳綸緯平針織復合材料吸收沖擊能量大小順序依次為3#>4#>2#>1#。其中，3#復合材料吸收的沖擊能量比1#復合材料的增加了27.19%。

4 結論

本研究先采用等離子體聯合硅烷偶聯劑改性芳綸緯平針織物，再采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝制備了未改性芳綸緯平針織復合材料和3種改性芳綸緯平針織復合材料，并對4種芳綸緯平針織復合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能和沖擊性能進行測試，發現：

(1)改性芳綸緯平針織復合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能和沖擊性能較未改性的芳綸緯平針織復合材料的都有所改善。

(2)隨著硅烷偶聯劑質量分數的增加，改性芳綸緯平針織復合材料承受的最大拉伸載荷、最大彎曲載荷、最大壓縮載荷和最大沖擊載荷呈現先增加后減小的趨勢，其中等離子體-硅烷偶聯劑(w硅烷偶聯劑=1.5%)改性芳綸緯平針織復合材料各項性能改善最明顯，其能承受的最大拉伸載荷、最大彎曲載荷、最大壓縮載荷和最大沖擊載荷較未改性芳綸緯平針織復合材料的分別提高了32.73%、38.03%、24.83%和35.10%。