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1、综 述纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展陈 平 于 祺 路 春(大连理工大学化工学院,116012)摘 要 本文较系统的综述了国内外增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维表面处理的方法,对各种改性技术的特点进行了评述,并指出了其进一步的发展趋势。关键词 玻纤,碳纤,芳纶,表面处理,界面Advance in the Study of Interface of Fiber Reinforced Polymer Matrix CompositesChen PingYu QiLu Chun(College of Chemical Engineering,Dalian University of Te
2、chnology,China,116012)ABSTRACTThe surface treating methods of GF,CF and AF used in resin matrix are summarized in this paper.The character2istics of these methods and their further development are also discussed.KEYWORDSG lass fiber,Carbon fiber,Aramid fiber,Surface modification,Interface1 前 言界面是复合材
3、料极为重要的微观结构,它作为增强体与基体连接的“桥梁”,对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。随着对复合材料界面结构及优化设计研究的不断深入,研究材料的界面力学行为与破坏机理是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成,各自都有其独特的结构、性能与作用,增强相主要起承载作用,基体相主要起连接增强相和传载作用,界面是增强相和基体相连接的桥梁,同时是应力的传递者。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果,但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入,其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难,描述的理论尚不完整,尤其从力学
4、的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能,尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能,因此随着复合材料科学和应用的发展,复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。热塑性复合材料不仅有优越的力学性能、耐腐蚀、无毒性和低价格指数,还由于具有热固性复合材料所不具备的可重复加工和使用的特点,避免产生三废,有利于环保,因而倍受人们的重视,发展迅速。对于增强热塑性复合材料来说,由于基体本身缺乏可反应的活性官能团,很难与纤维产生良好化学键结合,因而界面结合的问题就显得更为重要。2 玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维在复合材料中主要起
5、承载作用。为了充分发挥其作用,减少玻璃纤维和树脂基体差异对复合材料界面的影响,以及减少玻璃纤维表面缺陷所导致的与树脂基体不良的粘合,有必要对玻璃纤维的表面进行处理,使之能够很好地与树脂粘合,形成性能优异的界面层,从而提高复合材料的综合性能。2.1 玻璃纤维表面的偶联剂处理Zisman2于1963年发表关于粘结的表面化学与表面能,认为要获得完全的表面润湿,粘结剂起初必须是低粘度且其表面张力须低于无机物的临界表面张力,这一结果引发了对采用偶联剂处理玻璃纤维表面的研究。偶联剂是增强用玻璃纤维表面处理的主要处理剂,种类很多,包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂等,通过偶联剂能使两种不同性质的材料
6、很好地“偶联”起来,从而使复合材料获得较好的粘结强度。2.1.1 硅烷偶联剂处理用偶联剂对玻璃纤维表面处理中研究较多的是第1期纤维复合材料No11532005年3月FIBERCOMPOSITESMar1,2005硅烷偶联剂。硅烷偶联剂的水解产物通过氢键与玻纤表面作用,在玻纤表面形成具有一定结构的膜。偶联剂膜含有物理吸附、化学吸附和化学键作用的三个部分,部分偶联剂会形成硅烷聚合物。在加热的情况下,吸附于玻纤表面的偶联剂将与玻纤表面的羟基发生缩合,在两者之间形成牢固的化学键。氨基硅烷偶联剂也是偶联剂的一种,对其研究后得出:含有氨基的偶联剂比不含氨基的对玻璃纤维的表面处理效果好,因为偶联剂的氨基与基
7、体中的氨基有亲和性,使界面较好粘结;氨基还能与接枝的酸酐官能团反应,提高复合材料的性能。Pluedde2mann3采用含羧基的化合物改性聚丙烯,并用含氨基的硅烷偶联剂来处理玻璃纤维,使玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能极大提高。Crespy4等采用含有双键的乙烯基-三乙氧基硅氧烷和正丙稀-三甲氧基硅氧烷以及相容助剂混合物处理玻璃纤维的表面,使玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度得到大幅度的提高。2.1.2 铝酸酯偶联剂的表面处理铝酸酯偶联剂具有处理方法多样化、偶联反应快、使用范围广、处理效果好、分解温度高、价格性能比好等优点而被广泛地应用。陈育如5利用铝锆偶联剂对玻璃钢中
8、玻璃纤维的表面处理比用沃兰(甲基丙稀酰氯化铬络合物)、硅烷偶联剂处理的效果要好,其弯曲强度、拉伸强度、弯曲模量都高于后者处理的结果。2.1.3 偶联剂和其它助剂协同表面处理由于偶联剂的独特性质,利用偶联剂和其它物质的协同效应对玻璃纤维的表面处理,如运用氯化物和硅烷偶联剂混合处理玻璃纤维的表面,可显著改善PP/GF复合材料强度,特别是采用具有热稳定性的氯化二甲苯,其性能最优异6。2.2 玻璃纤维表面的接枝处理聚烯烃类基体缺乏活性反应官能团,难以与偶联剂形成化学键,用偶联剂不会起到应有的作用。为了玻璃纤维在聚烯烃类基体中较好应用,需要寻找一种方法使聚烯烃类基体和玻璃纤维有良好的界面粘合。国内外的学
9、者用不同的方法使高分子链接枝到玻璃纤维的表面上,接枝了高分子链的玻璃纤维在界面处产生一个柔性界面层。柔性界面层的引入使复合材料能在成型以及受到外力作用时所产生的界面应力得到松弛,使复合材料具有较高的冲击性能。Salehi7等用两种方法对玻璃纤维的表面接枝处理:采用界面缩聚的方法处理玻璃纤维的表面;玻璃纤维表面经含有过氧键硅烷偶联剂处理,再用缩聚的方法处理。两种方法都可以得到柔性界面层。薛志云8利用臭氧对表面涂有MAC(一种玻璃纤维表面处理剂)试剂的玻璃纤维进行预处理,使玻璃纤维表面产生活化中心,引发甲基丙烯酸甲酯在玻璃纤维上进行接枝聚合。接枝甲基丙烯酸甲酯的玻璃纤维与树脂基体具有很大亲和性,处
10、理后的玻璃纤维与树脂有充分的相容性,接枝聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃纤维与树脂基体之间形成了过渡层,使复合材料的力学等性能获得极大的提高。杨卫疆9用的方法是在玻璃纤维的表面涂上有过氧键的偶联剂,然后接枝苯乙烯等高分子链。经接枝处理的玻璃纤维作为复合材料的增强体,得到粘合较好的复合材料界面,减少了界面的应力,达到了界面优化的目的。2.3 等离子体表面处理用等离子体对碳纤维表面处理的报道很多11,而对玻璃纤维表面处理的报道却不多10,这是由于玻璃纤维和碳纤维的表面性质不同。等离子体虽不适于玻璃纤维的表面处理,但用适当的处理方式也能获得好的玻纤表面。李志军10研究了等离子体对玻璃纤维处理的机理是:使玻璃纤
11、维表面的官能团发生变化,产生轻微刻蚀,扩大玻璃纤维的有效接触面积,改善基体对玻璃纤维的浸润状况,使界面粘合增强。结果表明:等离子体处理的玻璃纤维作为增强体的复合材料力学性能提高了23倍,还明显降低复合材料的吸湿率,改善复合材料的耐湿热稳定性。除此之外,可采用几种方法联用处理玻璃纤维表面,这样可以集合几种处理方法的优点于一体。因此,要在玻璃纤维增强的树脂基复合材料中获得良好的界面,最好的方法是在增强体进行表面处理,在其表面接上一定长度的高分子链,使其与基体有良好的相容性,获得优良的界面层。3 碳纤维的表面处理方法碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于具有密度小、比强度高、比模量高、热膨胀系数小
12、等一系列优异特性,在航天器结构上已得到广泛的应用。碳纤维表面惰性大、表面能低,缺乏有化学活性的官能团,反应活性低,与基体的粘结性差,界面中存在较多的缺陷,直接影响了复合材料的力学性能,限制了碳纤维高性能的发挥。为了改善界面性能,充分利用界面效应的有利因素,可以通过对碳纤维进行表面改性的办法来提高其对基体的浸润性和粘结性。国内外对碳纤维表面改性的研究进行得十分活跃,主要有氧化处理、涂覆处理、等离子体处理法等,经表面改性后的碳纤维,其复合材料层间剪切强度54纤 维 复 合 材 料2005年有显著提高。3.1 氧化处理3.1.1 气相氧化法气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面而引入极性基团(如 OH
13、等),并给予适宜的粗糙度来提高复合材料层间剪切强度。如把碳纤维在450下空气中氧化10min,所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有提高;采用浓度为0 515mg/L的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理,经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可达78.4105.8MPa;另外除这种对纤维直接进行表面气相氧化外,还可以对经涂覆处理的纤维进行氧化改性。气相氧化虽易于实现工业化,但它对纤维拉伸强度的损伤比液相氧化大。另外随纤维种类的不同(高模量碳纤维、高强度碳纤维)、处理温度的不同,气相氧化处理效果也不尽相同。3.1.2 液相氧化法液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很
14、有效。硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维进行表面处理。硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂,用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团,这些基团的量随氧化时间的延长和温度的升高而增多,氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑明显增多,利于提高纤维与基体材料之间的结合力。由于液相氧化的方法较气相氧化法温和,不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解,而且在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多,因此是实践中常用的处理方法之一。3.1.3 电化学氧化法电化学氧化处理是利用了碳纤维的导电性,一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中,通过电解所产生的活性氧来氧化碳纤维表
15、面而引入极性基团,从而提高复合材料性能。同其它氧化处理相同,电化学氧化使纤维表面引入各种功能基团从而改善纤维的浸润、粘敷特性及与基体的键合状况,显著增加碳纤维复合材料的力学性能。国内的房宽峻等通过正交试验的方法对碳纤维在酸、碱、盐三类电解质中的电化学氧化进行研究,认为在氧化过程中,电解质种类是影响处理碳纤维表面酸性官能团的最主要因素,其次是处理时间和电流密度,电解质浓度的影响最不显著。3.2 表面涂层处理3.2.1 气相沉淀法近年来,用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面。在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面粘接性能。涂层方法主要有两种,一是把碳纤维加热到
16、1200,用甲烷(乙炔、乙烷)-氮混合气体处理,甲烷在碳纤维表面分解,形成无定型碳的涂层。处理后所得到的复合材料层间剪切强度可提高两倍。另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维,经干燥后在1600 下裂解,所得到的复合材料层间剪切强度可提高27倍。另外还可以用羧基铁、二茂铁和酚醛等热解后的沉积物来提高界面性能。气象沉积处理是在碳纤维和树脂的界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力,从而提高了复合材料的界面性能。3.2.2 表面电聚合表面电聚合技术是近年来发展起来的碳纤维表面改性的一项新技术,在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应,生成聚合物涂层,从而引入活性基团使纤维与基体的连接强度大幅提
17、高。3.2.3 偶联剂涂层偶联剂提高复合材料的界面粘接性能的应用非常广泛,用硅烷偶联剂处理玻璃纤维的技术已有较成熟的经验。用它处理碳纤维(低模量)同样可以提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面强度。但对高模量碳纤维效果不明显。偶联剂为双性分子,一部分官能团能与碳纤维表面反应形成化学键,另一部分官能团与树脂反应形成化学键。这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用,将二者牢固地连在一起。但由于碳纤维表面的官能团数量及种类较少,用偶联剂处理的效果往往不太理想。3.2.4 聚合物涂层碳纤维经表面处理后,再使其表面附着薄层聚合物,这就是所谓的上浆处理。这层涂覆层即保护了碳纤维表面,同时又提高了纤
18、维对基体树脂的浸润性。常用的聚合物有聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚缩水甘油醚、酯环族环氧化合物等,这些聚合物都含有两种基团,能同时与碳纤维表面及树脂结合。树脂浆料的用量一般为碳纤维质量的0.4%5%,最佳含量为0.9%16%。3.2.5 表面生成晶须法在碳纤维表面,通过化学气相沉积生成碳化硅、硼化金属、TiO2、硼氢化合物等晶须,能明显提高复合材料的层间剪切强度,并且晶须质量只占纤维的0.5%4%,晶须含量在3%4%时层间性能达到1期陈 平等:纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展55最大。生长晶须的过程包括成核过程以及在碳纤维表面生长非常细的高强度化合物单晶的过程。尽管晶须处理能获得很好的效果,但
19、因费用昂贵、难以精确处理,故工业上无法采用。3.3 等离子体处理用等离子体对碳纤维表面进行辐射,可以使碳纤维表面发生化学反应,从而引入活性基团,改善碳纤维的表面性能。等离子体处理包括高温和低温处理两种。高温处理时温度为40008000K,设备功率为8MHz下10kW,在含有5%15%氩气的混合气中产生等离子体。低温处理是在惰性气体中、0150、11053105Pa条件下产生等离子体。等离子体处理能明显改善碳纤维表面与树脂基体的结合力,且不影响其它强度性能。对于等离子体改性碳纤维表面的理论有不同的解释。有人提出碳纤维表面经等离子体辐射后生成了SP3杂化的碳及2C2O2C2结构,破坏并降低了表面层
20、的石墨化结构,形成三维交联结构而增加了纤维表面层的抗剪能力。还有另外一种解释指出,低温等离子体生成的活性体与高分子或碳纤维表面反应生成游离基,这些游离基在表面层氧化、交联、分解及接枝,与基体树脂形成化学键、范德华力、氢键等从而提高层间剪切强度。作为一种新兴的处理手段,等离子体处理有以下几个优点:(1)可以在低温下进行,避免了高温对纤维的损伤;(2)处理时间短,几秒钟就能获得所需要的效果;(3)经改性的表面厚度薄,可达到几微米,因此可以做到使材料表面性质发生较大变化,而本体相的性质基本保持不变。4 芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维以其高比模量、高比强度、耐疲劳等优异性能在航空航天领域得到了广泛的应
21、用。但是从其结构可知,它是刚性分子,分子对称性高,横向分子间作用力变弱,且分子间氢键弱,在压缩及剪切力作用下容易产生断裂。因此,为了充分发挥芳纶优异的力学性能,对芳纶表面进行改性处理,改善芳纶增强复合材料的界面结合状况成为材料科学界研究的一个热点。目前,针对芳纶进行的表面改性技术,主要集中在利用化学反应改善纤维表面组成及结构,或借助物理作用提高芳纶与基体树脂之间的浸润性。4.1 表面涂层法表面涂层法是在纤维表面涂上柔性树脂,而后与基体复合。这层涂层可以钝化裂纹的扩展,增大纤维的拔出长度,从而增加材料的破坏能。这类处理剂主要是改善材料的韧性,同时又使材料的耐湿热老化性能提高。目前用于芳纶的涂层主
22、要是饱和、不饱和脂肪族酯类,包括SVF-200硅烷涂层、Estapol-7008聚氨酯涂层18等。4.2 化学改性技术化学改性方法是利用化学反应,在纤维表面引入可反应的基团,从而在与基体复合时产生共价键,增加材料的界面性能。化学改性方法一般分为表面刻蚀和表面接枝。4.2.1 表面刻蚀技术表面刻蚀技术是通过化学试剂处理芳纶表达,引起纤维表面的酰氨键水解,从而破坏纤维表面的结晶状态,使纤维表面粗化。一般表面刻蚀技术采用的化学试剂为酰氨。Tarantili19、Andreopoulos20等人采用甲基丙烯酸酰氨的CCl4溶液对芳纶进行了处理,并研究了芳纶表面刻蚀后,芳纶/环氧复合材料的力学性能。经过
23、丙烯酰氯处理后的纤维,一方面表面粗糙度增加,增大了纤维与基体的啮合,除去了弱界面层,增加了纤维/基体间的接触面积;另一方面提高了纤维的表面能,使树脂更有效地润湿纤维,因而使改性后的芳纶/环氧复合材料韧性提高8%。C.Y.Yue采用乙酸酐刻蚀芳纶表面也使界面剪切强度从38MPa提高到63MPa21。但是这类化学试剂都属于高反应活性的物质,反应速度快,很难控制反应仅在纤维表面发生,极易损伤纤维,降低纤维的本体强度,使复合材料的抗拉强度降低。因而在要求抗拉强度较高的复合材料制品的制备过程中,不宜采用这种方法。4.2.2 接枝技术表面接枝技术改性芳纶是化学改性方法中研究最多的技术。根据接枝官能团位置的
24、不同,可将表面接枝技术分为两大类:一是发生在苯环上的接枝反应;另一种则是取代芳纶表面层分子中酰氨键上氢的接枝反应。4.2.2.1 苯环上的接枝反应芳纶中苯环的邻-对位具有反应活性,可与某些亲电取代基团发生2H的取代反应,因此可在芳纶表面引入一些具有反应活性的极性基团,增加与基体的反应,提高材料的界面强度,从而达到改善界面的目的。目前利用发生在苯环上的反应改善芳纶的方法有两类:一是硝化还原反应引入氨基,另一类则是利用氯磺化反应引入氯磺酸基团,以便进一步引入活性基团。硝化还原反应是将芳纶浸在硝化介质中,在苯56纤 维 复 合 材 料2005年环上引入硝基,随后在一定介质中用硼氢化钠等还原剂将硝基还
25、原成氨基,从而在纤维表面引入极性基团,促进树脂对纤维的润湿,提高界面粘结性能。Ramazan22等人研究了不同硝化介质、不同还原试剂处理方法对芳纶的影响。通过研究发现,在一定条件下处理的芳纶,韧性提高幅度最大,用其制成的复合材料界面剪切强度提高33%。氯磺化反应是发生在苯环上的另一类取代反应,在芳纶表面引入-SO2Cl基团,随后与含有反应活性官能团的反应物反应,在芳纶表面接枝上极性基团。芳纶表面发生的氯磺化反应,反应速度快,且极易引入其它极性基团,很适于芳纶的改性处理,但是氯磺化反应也存在着反应不易控制,易损伤纤维的缺点。发生在苯环的硝化还原反应、氯磺化反应在改变芳纶表面结构、增加纤维润湿的表
26、面积、降低表面自由能、提高界面强度方面都是很有效的。但这两种方法都存在着需要控制反应程度,以纤维表面引入的官能团不超过1.0?A为极限的问题,否则反应将进入纤维内部发生,致使纤维本体强度降低。4.2.2 酰氨上的H的取代反应芳纶表面酰氨基团的H可以被其它亲电基团所取代而在纤维表面引入极性基团。L.S.Penn23等人研究了PPTA表面与二异氰酸酯反应在纤维表面接枝上己胺,发现纤维表面引入的胺基并不与环氧基反应,改性后材料的粘结性能提高主要是由于界面附近基体的模量提高以及界面处起始裂纹的尺寸降低而引起的。并且在其后的研究24中发现,当接枝在纤维上的分子链时,可显著提高材料的界面强 度,芳 纶 表
27、 面 接 枝 上(CH2)6NHCONH 2-(CH2)6NH2时可使界面剪切强度提高43%,接枝六异氰酸酯可使界面剪切强度提高65%。国内采用2,4-甲苯二异氰酸酯与芳纶进行接枝反应,也使短梁剪切强度从40MPa提高到54.4MPa25。化学处理芳纶的效果比较显著,可以改善复合材料的韧性,提高材料的界面剪切性能,但是这种方法只能处理少量的纤维,且己胺等接枝改性反应的时间较长,不适宜连续制备的复合材料使用,利用硝化还原、氯磺化反应等化学改性技术的反应速度很快,不易控制,很难保证化学反应仅在纤维表面发生,极易损伤纤维,使材料的拉伸性能降低。因此,化学方法改性芳纶只适用于复合材料界面控制的理论研究
28、,很难在工业上实现连续化处理。4.3 离子体表面改性技术等离子体处理技术是目前进行芳纶表面改性技术中研究最多的一种方法。目前,用于芳纶表面改性的多为冷等离子体。其能量只有几十电子伏特,且有作用强度高,穿透力小的特点。4.3.1 冷等离子体表面改性等离子体表面改性是利用等离子体引发高聚物的自由基反应进行的。由等离子体引发产生的自由基随后可进行裂解、自由基转移、氧化、歧化和耦合等反应。其中氧气、氨气气氛中的等离子体改性,主要是通过增加纤维的表面极性,改善纤维的润湿性,使芳纶增强复合材料的力学性能较大幅度提高,特别是氨气气氛中5min等离子体处理后,层间剪切强度和韧性强度分别提高60%和50%26。
29、4.3.2 等离子体表面接枝低温等离子体接枝聚合反应一般分为两个阶段。首先是芳纶表面经等离子体处理产生的活性自由基和官能团形成活性中心,然后与气体接触,引发单体进行接枝聚合反应。X.Wang27等人在研究芳纶/环氧复合材料的破坏行为中,采用等离子体处理芳纶表面后,与丙烯酸单体反应进行液固相接枝聚合反应。通过单丝拔出实验发现,芳纶表面接枝的聚丙烯酸-乙基丙烯酸酯共聚物不但可以提高界面的粘接性能,而且还能起到保护芳纶,防止断裂的作用。并且作者在随后的研究中发现,等离子体接枝后的芳纶的G i得到提高,从未处理的36J/m2提高到55J/m2。C.X.Zhang28-29等人的研究也证明了芳纶表面接枝
30、PPA形成能量吸收层有利于提高芳纶/环氧复合材料的界面性能。M.Shaker30等人采用等离子体在芳纶表面接枝烯丙基胺时,发现在最佳等离子体作用参数处理下可以在不损伤纤维力学性能的前提下,在芳纶增强复合材料的界面引入能量吸收层提高界面的粘附强度。以上等离子体改性技术采用液相法接枝,接枝率很高,但是存在着单体自聚现象。Q.Wang31等人采用了一种新型技术处理Kevlar纤维,先用O2等离子体处理纤维,然后与TiCl4反应,以Ziegler-Natta引发剂,以Al(C2H5)3为助催化剂,在乙烯的己烷溶液中引发乙烯在纤维表面的催化聚合,改性后的Kevlar纤维增强复合材料的力学性能得到大幅度提
31、高。4.4 射线辐射方法利用-射线对芳纶进行表面接枝以及纤维内部微纤交联反应,从而提高纤维本体强度及其润湿性的方法,是近年来一种新型的改进技术,这种方法不需催化剂或引发剂,可在常温下进行反应,是很有发展前途的一种改性技术。1期陈 平等:纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展57从目前的文献报道来看,仅前苏联采用-射线辐照技术对芳纶表面进行了改性处理,国内哈尔滨工业大学对该技术也进行了跟踪研究32。-射线辐照处理芳纶主要发生两种作用:一是辐照交联,利用-射线辐照引发光化学自由基反应,使纤维的皮层与芯层之间发生交联,提高纤维的横向抗拉强度;另一种方法是辐照接枝,利用-射线促进芳纶与表面涂覆物发生自
32、由基反应,增加纤维表面极性基团的数量,从而提高芳纶的润湿性、粘附性,改善界面状况。若在-辐照过程中将纤维放入一定单体的溶液环境中,还可将某些单体接枝到纤维表面,在界面形成较强的化学键合,并且由于接枝使纤维表面能升高,物理镶嵌作用也相应地得到加强,因而,-射线辐照接枝技术可以提高芳纶增强复合材料的力学性能。4.5 超声浸渍改性技术超声浸渍技术是处理芳纶增强复合材料界面的改性技术。俄罗斯首先对超声改性技术进行了研究,指出超声辐射技术主要是利用超声在液体中引起气泡的破裂时产生的高温、高压及局部激波作用引起树脂浸渍纤维的变化。超声对胶液及复合材料主要产生两方面的作用:一是作用于胶液,有利于提高胶粘剂的
33、活性,改善工艺加工特性;利用超声的空化作用消除槽中多余的空气夹杂物及局部多余的热量,并提高树脂基体的强度;二是作用于浸胶之后的湿纤维上可进一步除去空气夹杂物,并使纤维表面浸胶均匀,进而浓缩,改善树脂沿界面分布不均匀以降低缺陷程度,提高复合材料的性能。哈工大在应用超声技术进行芳纶表面及界面处理方面进行了多年的研究。从纤维表面化学组成及其表面结构特征、树脂体系物理化学变化和界面特征多角度研究了超声对芳纶的在线处理3336。结果表明,在芳纶增强复合材料制备过程中,超声主要是通过降低树脂体系的粘度和表面张力,增强对芳纶的浸润性,并且利用超声空化作用产生的高压强迫树脂浸渗芳纶,可以大大地改善两者的浸润性
34、,使其初始浸润速度提高90%以上。经超声处理后,芳纶增强复合材料的力学性能得到了提高。5 结束语影响纤维/树脂基复合材料性能的因素很多,如纤维与树脂基体的匹配性、成型工艺中的质量控制、参数优化等,以上介绍了玻纤、碳纤维及芳纶纤维表面处理方法,主要是针对如何提高纤维与树脂基体的粘接性能的,还有其它一些处理方法,实际应用中,应根据纤维类型、基体材料的种类及实际需要和条件来选择表面处理方法。总之,作为先进复合材料的增强材料,对纤维的表面结构与性质、表面改性的研究将会受到越来越多的关注,碳纤维、芳纶纤维也将在航天领域中发挥越来越重要的作用。参 考 文 献1 杨俊,蔡力锋,林志勇.增强树脂用玻璃纤维的表
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48、4,25(1):515438刘丽,张翔等.芳纶表面及界面改性技术的研究现状及发展趋势J.高科技纤维与应用,2002,27(4)玻璃钢夹砂管道生产线加砂装置的变革 自九十年代初期,我国引进第一条生产线以来,随着进口设备的国产化,玻璃钢夹砂管道生产线经过了数次更新换代,其加砂装置也经过了数次变革。最初引进玻璃钢夹砂管道生产线,其加砂装置为绞龙提升后将石英砂从管芯模上方加到芯模上,芯模正向旋转,这种工艺应用了数年,采用这种工艺生产的加砂管也得到了广泛的应用。但在生产管道的过程中,众多厂家发现了一些不足,一些制造厂商推出了反向加砂,生产工艺有了进一步的改进。加砂工艺的重大突破是将传统的上加砂方式改为下
49、加砂方式,这一工艺的变革对生产环境的改善、生产成本的降低作出了一定的贡献。最近,河北衡水实力复合材料设备有限公司又成功地研制出了第四代玻璃钢夹砂管道缠绕机,它采用了一种全新加砂装置 中加砂装置。其从根本上克服了传统上加砂工艺保性差、砂层厚度不均匀、提砂系统耐用性低、操作繁琐的缺点,也克服了下加砂设备庞大、设备投资大、占地面积大且加砂时必须用网格布兜纱、管道成本高的不足。中加砂装置具有以下特点:(1)夹砂层厚度在115mm之间任意调节,砂片宽度在80220mm之间任意调节,可满足不同管径的需求。设备调整方便,操作简单。(2)减少了调整环节,加砂装置的加砂嘴对准芯模回转中心线,无论管道直径如何变化
50、,加砂装置上下位置无需调节。(3)模具线速度与加砂速度同步,模具转动速度不会影响砂层的厚度。石英砂层截面厚度均匀。加砂量调整、测量非常方便,易于控制,克服了上加砂工艺中因模具偏心、主轴转速不稳而影响砂层厚度不均的缺陷。(4)砂层采用多次预浸,使加砂层浸透性得到了可靠保证,同时大大降低了树脂的消耗,节约了生产成本。采用独特的气动辊压装置,砂层更平整,更密实,产品的内在质量和外观质量得到了很大提高。各项指标符合标准要求。该加砂装置属国内首创,结构新颖、使用方便、操作简单、故障率低。经专家鉴定及生产实践验证,其各项技术指标已达到国际领先水平。已申报专利。它的推广使用必将带来显著的经济效益和社会效益。