偶联剂对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

王新玲，陈自然

（1成都航空职业技术学院航空工程学院，四川 成都 610000；2四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川 遂宁 629000）

偶联剂对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

王新玲1，陈自然2

（1成都航空职业技术学院航空工程学院，四川 成都 610000；2四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川 遂宁 629000）

在使用三种偶联剂对玻璃纤维进行预处理的基础上，采用手糊成型工艺制备了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料.并用万能拉伸试验机对其进行力学性能测试，比较不同偶联剂预处理和未处理的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料拉伸性能的差异.结果表明，偶联剂A-151预处理法使抗拉强度提高最为显著，提高了51.1%；钛酸酯偶联剂401使抗拉强度提高了47.5%，硅烷偶联剂KH-550使抗拉强度提高了27.4%.

偶联剂；玻璃纤维；手糊成型；环氧树脂

玻璃纤维增强环氧树脂复合材料具有密度小、强度高、刚性好、耐高温、耐腐蚀、耐辐射、加工成型简便等特点，并具有材料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等优点[1-5]，因而被广泛用于航空、航天领域，如导弹弹头和卫星整流罩、宇宙飞船的放热材料、飞行器的舰船壳体、翼片和螺旋桨[6-7]等.

界面的粘结性能是决定复合材料力学性能优劣的重要因素之一[8-10].玻璃纤维的表面积是同质量块状玻璃的千倍以上，例如直径5.6～9μm的纤维，其比表面积可达0.2～0.55m2/g,比块状玻璃大1000～2000倍.如此大的比表面积必然影响到材料性质以及它与其它材料之间的粘结性.另外玻璃纤维为无机表面，本身与树脂亲和性很差.为了改善玻璃纤维的表面性能，许多化学工作者做了大量细致的研究。研究结果显示，偶联剂可被用作玻璃纤维的表面处理剂以改善玻璃纤维的表面性能，实现无机物和有机物之间良好的界面结合，起到了一个桥梁的作用，因而选择合适的偶联剂对于玻璃纤维的应用效果影响巨大.如I g l es ia s[11-13]等研究了经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维增强环氧复合材料的微观界面结构与宏观性能之间的关系.本研究选用了三种不同的偶联剂对玻璃纤维进行预处理，着重探索了偶联剂对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料拉伸强度的影响.

1 实验及测试

1.1 原材料

玻璃纤维布(面密度138 g/m2,四川威远至诚新材料有限公司)；环氧树脂(E-4675，昆山祥丰新复合材料有限公司)；固化剂(H-4073-3，昆山祥丰新复合材料有限公司)；乙醇溶液(G B10343-2008,江西草珊瑚消毒用品有限公司)；偶联剂(K H-550，济南兴飞隆化工有限公司)；偶联剂(A-151，广州市守正化工科技有限公司)；钛酸酯偶联剂401(佛山市骐邦化工有限公司).

1.2 仪器与设备

恒温烘箱(O B-214X-C B F型，成都市大威工业炉制造有限公司)；复合材料力学性能试验机(HY-10080型，上海衡翼精密仪器有限公司)；真空泵(F Y-1H-N型，浙江飞越机电有限公司).

1.3 试样制备

试样的制备工艺过程如下图所示：

玻璃纤维经偶联剂处理后于120℃,4h条件下干燥处理后，取出冷却至室温.裁剪成试样件需要的尺寸，配置环氧树脂胶液：树脂和固化剂的比例为3:1，浸胶进行手糊成型工艺，铺10层玻璃纤维布后，打袋抽真空，60℃在烘箱里固化3h.取出试件修剪打磨，最后在样件两端粘贴铝片，防止进行拉伸试验时脱落.

1.4 性能测试与结构表征

在万能材料试验机上做拉伸试验，是根据A S T M D638-03美国标准进行测试，试样形状为I类型的骨头状，如图1所示，测试速度为5mm/m in，每组试样测试3个样条，求得平均值.

图1 拉伸试验件

拉伸强度按公式σt=F/A0计算，其中：σt为拉伸强度（M P a）;F为最大拉伸载荷（N）;A0为试样横截面积(mm2).

2 结果与讨论

偶联剂能够改变无机物和高分子聚合物之间的界面能，并在界面之间形成化学或物理的“分子桥”使无机物玻璃纤维与有机物高分子聚合物牢固结合起来[14-15].表1所示为对拉伸试验件在复合材料力学性能试验机的测试结果；试验件的拉伸强度比较结果见图2.

树脂基体和增强材料之间的浸润性越好，界面黏结强度越大，复合材料的力学性能就越好.由图2可以看出，未处理的普通试件拉伸强度为100.86 M P a，而经过K H-550处理的试件拉伸强度为128.48 M P,提高了27.4%；经钛酸酯401处理的试件拉伸强度为148.77M P a，提高了47.5%；经过A-151处理的试件拉伸强度为152.35M P a，提高了51.1%.选择硅烷偶联剂A-151，对拉伸强度提高效果最明显.大量研究发现[11-15]，玻璃纤维经硅烷偶联剂处理后，玻纤表面产生与玻纤有化学键合的活性官能团，这些官能团可与基体树脂有很好的物理或化学结合，显著提高纤维对树脂的浸润性能，增加了玻纤与聚合物之间的粘结力，并起到了传递应力作用，同时它可修补及填平在拉丝过程中玻纤表面产生的微小裂纹，提高玻璃纤维的本身强度.

表1 试验件测试结果

图2试验件拉伸强度比较

尽管偶联剂既可提高树脂基体和玻璃纤维之间的相容性，也能改善玻璃纤维和聚合物之间的界面情况，但偶联剂的用量不能太多.这是因为偶联剂用量过多，会使偶联剂分子间发生缩水反应，分子间不断堆积，在玻璃纤维增强材料和基体材料之间形成一个弱界面层，从而影响复合材料的界面粘结强度.因此只有在一定浓度下，才能在玻璃纤维的表面形成一层偶联剂分子膜.

3 结论

本文使用硅烷偶联剂K H-550、硅烷偶联剂A-151、钛酸酯偶联剂401对玻璃纤维进行预处理，采用手糊成型工艺制备了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料.并用万能拉伸试验机对其进行力学性能测试，分析了不同预处理方法对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响.

通过化学实验和力学性能测试得出了以下几个结论：

(1)经氨基硅烷K H-550处理的玻璃纤维布硬且硬度挺高.

(2)与未经偶联剂处理的玻璃纤维比较，偶联剂处理后的玻璃纤维布厚度明显增加，机械强度显著提高.未处理的普通试件拉伸强度为100.86 M P a，而经过K H-550处理的试件拉伸强度为128.48 M P,提高了27.4%；经钛酸酯401处理的试件拉伸强度为148.77M P a，提高了47.5%；经过A-151处理的试件拉伸强度为152.35M P a，提高了51.1%.

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责任编辑：张隆辉

TB332

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1672-2094（2017）02-0159-03

2017-02-20

王新玲（1978-），女，上海人，成都航空职业技术学院助教，硕士.研究方向：复合材料工程技术.