復(fù)合材料表面處理方法綜述(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上復(fù)合材料表面處理方法綜述 專業(yè)：材料科學(xué)與工程 學(xué)號： 姓名：楊 彪復(fù)合材料表面處理方法綜述摘 要：界面是復(fù)合材料極為重要的微觀結(jié)構(gòu),它作為增強體與基體連接的“橋梁”，對復(fù)合材料的物理機械性能有至關(guān)重要的影響。復(fù)合材料的界面層及其優(yōu)化設(shè)計，即復(fù)合材料界面工程，是復(fù)合材料研究的一個重要領(lǐng)域。界面問題，在復(fù)合材料制備中起很大的作用，界面結(jié)合的好壞，直接影響復(fù)合材料的整體性能?，F(xiàn)針對國內(nèi)外增強樹脂用玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維的表面處理方法，以強調(diào)界面問題的重要性。關(guān) 鍵 詞：界面，玻璃纖維，碳纖維，芳綸纖維 Abstract：The interface is the mi

2、croscopic structure of the composite material is extremely important, as a "bridge" to enhance and matrix connected, have a crucial impact on the physical and mechanical properties of the composites. The composite interface layer and its optimized design, the composite interface engineerin

3、g, is an important area of research in the composite. Interface problems play a significant role in the preparation of composite materials, the interface combine the good and bad, a direct impact on the overall performance of the composite material. Now for domestic and reinforced resin with glass f

4、ibers, carbon fibers and aramid fibers of the surface treatment method, emphasizing the importance of the problem of the interface.Keywords: interface, glass fiber, carbon fiber, aramid fiber復(fù)合材料表面處理方法綜述1 前言 界面是復(fù)合材料極為重要的微觀結(jié)構(gòu)，它作為增強體與基體連接的“橋梁”，對復(fù)合材料的物理機械性能有重要的影響1。隨著對復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計研究的不斷深入，研究材料的界面力學(xué)行為與破壞

5、機理是當代材料科學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)的前沿課題之一。復(fù)合材料一般是由增強相、基體相和它們的中間相(界面相)組成，各自都有其獨特的結(jié)構(gòu)、性能與作用，增強相主要起承載作用；基體相主要起連接增強相和傳載作用，界面是增強相和基體相連接的橋梁，同時是應(yīng)力的傳遞。對增強相和基體相的研究已取得了許多成果，而對作為復(fù)合材料三大微觀結(jié)構(gòu)之一的界面問題的研究卻不夠深入，其原因是測試界面的精細方法運用起來較困難，其理論尚不完整，尤其從力學(xué)的角度研究界面的性質(zhì)、作用及其對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響和破壞機理等方面的工作正在開展。界面的性質(zhì)直接影響著復(fù)合材料的各項力學(xué)性能，尤其是層間剪切、斷裂、抗沖擊等性能，因此隨著復(fù)合材料科

6、學(xué)和應(yīng)用的發(fā)展，復(fù)合材料界面及其力學(xué)行為越來越受到重視2。熱塑性復(fù)合材料不僅有優(yōu)越的力學(xué)性能、耐腐蝕、無毒性和低價格指數(shù)，還由于具有熱固性復(fù)合材料所不具備的可重復(fù)加工和使用的特點，避免產(chǎn)生三廢，有利于環(huán)保，因而倍受人們的重視，發(fā)展很迅速。對于增強熱塑性復(fù)合材料來說，由于基體本身缺乏可反應(yīng)的活性官能團，很難與纖維產(chǎn)生良好化學(xué)鍵結(jié)合，因而界面結(jié)合的問題就顯得更為重要3。2 玻璃纖維的表面處理方法 玻璃纖維是以球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個微米到二十幾米個微米，相當于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維4通

7、常用作中的增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。玻璃纖維在復(fù)合材料中主要起承載作用。為了充分發(fā)揮玻璃纖維的承載作用，減少玻璃纖維和樹脂基體差異對復(fù)合材料界面的影響，提高與樹脂基體的粘合能力，因此有必要對玻璃纖維的表面進行處理1，使之能夠很好地與樹脂粘合，形成性能優(yōu)異的界面層，從而提高復(fù)合材料的綜合性能。Zisman5于1963年發(fā)表關(guān)于粘結(jié)的表面化學(xué)與表面能，他認為要獲得完全的表面潤濕，粘結(jié)劑起初必須是低粘度且其表面張力須低于無機物的臨界表面張力，其結(jié)果引發(fā)了對采用偶聯(lián)劑處理玻璃纖維表面的研究。偶聯(lián)劑主要用于增強玻璃纖維表面處理，其種類很多，包括硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)

8、劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑等，通過偶聯(lián)劑能使兩種不同性質(zhì)的材料很好地“偶聯(lián)”起來，從而使復(fù)合材料獲得較好的粘結(jié)強度。2.1 硅烷偶聯(lián)劑處理 在用偶聯(lián)劑對玻璃纖維表面處理中研究較多的是硅烷偶聯(lián)劑6。硅烷偶聯(lián)劑的水解產(chǎn)物通過氫鍵與玻纖表面作用，在玻纖表面形成具有一定結(jié)構(gòu)的膜。偶聯(lián)劑膜含有物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)鍵作用的3個級分，部分偶聯(lián)劑會形成硅烷聚合物。在加熱的情況下，吸附于玻纖表面的偶聯(lián)劑將與玻纖表面的羥基發(fā)生縮合，在兩者之間形成牢固的化學(xué)鍵結(jié)合。 氨基硅烷偶聯(lián)劑是偶聯(lián)劑的一種，研究結(jié)果表明：含有氨基的偶聯(lián)劑比不含氨基的偶聯(lián)劑對玻璃纖維的表面處理效果好，因為偶聯(lián)劑的氨基與基體中的氨基有親和性，使界面較好

9、粘結(jié)；氨基還能與接枝的酸酐官能團反應(yīng)，提高復(fù)合材料的性能。Pluedde-mann7采用含羧基的化合物改性聚丙烯。并用含氨基的硅烷偶聯(lián)劑來處理玻璃纖維，使玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能得到極大提高。Crespy8采用含有雙鍵的乙烯基乙氧基硅氧烷和正丙稀三甲氧基硅氧烷以及相容助劑混合物處理玻璃纖維的表面，使玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料的沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度得到大幅度的提高。2.2 鋁酸酯偶聯(lián)劑處理 鋁酸酯偶聯(lián)劑具有處理方法多樣化、偶聯(lián)反應(yīng)快、使用范圍廣、處理效果好、分解溫度高、價格性能比好等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用。陳育如9用鋁鋯偶聯(lián)劑對玻璃鋼中玻璃纖維的表面處理比用沃蘭(甲基丙稀酰氯化鉻

10、絡(luò)合物)、硅烷偶聯(lián)劑處理的效果要好，其彎曲強度、拉伸強度、彎曲模量都高于后者處理的結(jié)果。 2.3 偶聯(lián)劑和其它助劑協(xié)同處理 由于偶聯(lián)劑的獨特性質(zhì)，利用偶聯(lián)劑和其它物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)對玻璃纖維的表面進行處理，如運用氯化物和硅烷偶聯(lián)劑混合處理玻璃纖維的表面，可顯著改善PP/GF復(fù)合材料強度，特別是采用具有熱穩(wěn)定性的氯化二甲苯，其性能最優(yōu)異10。3 碳纖維的表面處理方法 碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維作為一種高強度高模量的材料，可以與多種基體材料復(fù)合制成復(fù)合材料11。與傳統(tǒng)的(GF)相比，是其3倍多；它與(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍

11、左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于具有密度小、比強度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異特性，在航天器結(jié)構(gòu)上已得到廣泛的應(yīng)用。碳纖維表面惰性大、表面能低，缺乏有化學(xué)活性的官能團反應(yīng)活性低，與基體的粘結(jié)性差，界面中存在較多的缺陷，直接影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了碳纖維高性能的發(fā)揮。為了改善界面性能，充分利用界面效應(yīng)的有利因素，可以通過對碳纖維進行表面改性的辦法來提高其對基體的浸潤性和粘結(jié)性。國內(nèi)外對碳纖維表面改性的研究12-13進行得十分活躍，主要有氧化處理、涂覆處理、等離子體處理法等，經(jīng)表面改性后的砂纖維，其復(fù)合材料層間剪切強

12、度有顯著提高。3.1 氣相氧化法 氣相氧化14是用氧化性氣體來氧化纖維表面而引入極性基團(如OH等)，并給予適宜的粗糙度來提高復(fù)合材料層間剪切強度。如把碳纖維在450下空氣中氧化10min，可提高復(fù)合材料的剪切強度和拉伸強度；采用濃度為0.515mg/l的臭氧連續(xù)導(dǎo)入碳纖維表面處理爐對碳纖維進行表面處理，處理后碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強度為78.4105.8MPa；除這種對纖維直接進行表面氣相氧化外，還可以對經(jīng)涂覆處理的纖維進行氧化改性。氣相氧化雖易于實現(xiàn)工業(yè)化，但它對纖維拉伸強度的損傷比液相氧化大。此外隨纖維種類的不同(高模量碳纖維、高強度碳纖維)、處理溫度的不同，氣相氧化處理效果也不盡相同

13、。纖維產(chǎn)生過度的刻蝕和裂解，而且在一定條件下含氧基團數(shù)量較氣相氧化多，因此是實踐中常用的處理方法之一。 3.2 液相氧化法 液相氧化處理對改善碳纖維樹脂復(fù)合材料15的層間剪切強度很有效。硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等都可以用于對碳纖維進行表面處理16。硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用硝酸氧化碳纖維，可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團，這些基團的量隨氧化時間的延長和溫度的升高而增多，氧化后的碳纖維表面所含的各種含氧極性基團和溝壑明顯增多，有利于提高纖維與基體材料之間的結(jié)合力。由于液相氧化的方法較氣相氧化法溫和，不易使纖維產(chǎn)生過度的刻蝕和裂解，而且在一定條件下含氧基團數(shù)

14、量較氣相氧化多，因此是實踐中常用的處理方法之一。3.3 電化學(xué)氧化法 電化學(xué)氧化法17 處理利用了碳纖維的導(dǎo)電性，一般是將碳纖維作為陽極置于電解質(zhì)溶液中，通過電解所產(chǎn)生的活性氧來氧化碳纖維表面而引入極性基團，從而提高復(fù)合材料性能。與其它氧化處理相同，電化學(xué)氧化使纖維表面引入各種功能基團從而改善纖維的浸潤、粘敷特性及與基體的鍵合狀況，增強碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。國內(nèi)房寬峻等通過正交試驗的方法對碳纖維在酸、堿、鹽三類電解質(zhì)中的電化學(xué)氧化進行研究，認為在氧化過程中，電解質(zhì)種類是影響處理后碳纖維表面酸性官能團的最主要因素，其次是處理時間和電流密度，電解質(zhì)濃度的影響不顯著。4 芳綸纖維的表面處理方法

15、芳綸纖維是一種高性能合成纖維，具有超高強度、高模量和耐高溫耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能，其強度是鋼絲的5-6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的20%左右。此外，芳綸纖維還具有良好的絕緣性和抗老化性能，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。對位芳綸纖維主要用于橡膠增強制品、防彈，具有很長的生命周期18 。芳綸的發(fā)現(xiàn)，被認為是材料界一個非常重要的歷史進程。芳綸纖維以其高比模量、高比強度、耐疲勞等優(yōu)異性能在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是從其結(jié)構(gòu)可知，它是剛性分子，分子對稱性高，橫向分子間 作用力弱，且分子間氫鍵弱，在壓縮及剪切力作用下容易產(chǎn)生斷裂。因此，為了充分發(fā)揮芳綸優(yōu)異的力學(xué)

16、性能對芳綸表面進行改性處理，改善芳綸增強復(fù)合材料的界面結(jié)合狀況成為材料科學(xué)界研究的一個熱點。目前，針對芳綸進行的表面改性技術(shù)，主要集中在利用化學(xué)反應(yīng)改善纖維表面組成及結(jié)構(gòu)，或借助物理作用提高芳綸與基體樹脂之間的浸潤性。4.1 表面涂層法 表面涂層法是在纖維表面涂上柔性樹脂，而后與基體復(fù)合。涂層可以鈍化裂紋的擴展，增大纖維的拔出長度，從而增加材料的破壞能。這類處理劑主要是改善材料的韌性，同時又使材料的耐濕熱老化性能提高。目前用于芳綸的涂層主要是飽和、不飽和脂肪族酯類，包括SVF-200硅烷涂層、Estapol-7008聚氨酯涂層19等。4.2 表面刻蝕技術(shù) 表面刻蝕技術(shù)是通過化學(xué)試劑處理芳綸，引

17、起纖維表面的酰氨鍵水解，從而破壞纖維表面的結(jié)晶狀態(tài)，使纖維表面粗化。一般表面刻蝕技術(shù)采用的化學(xué)試劑為酰氨。Tarantili、Andreopoulos 等人采用甲基丙烯酸酰氨的CCl4 溶液對芳綸進行了處理，并研究了表面刻蝕芳綸后，芳綸/環(huán)養(yǎng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。經(jīng)過丙烯酰氯處理后的纖維，一方面，表面粗糙度增加，增大了纖維與基體的嚙合，同時消除了弱界面層，增加了纖維/基體間的接觸面積；另一方面提高了纖維的表面能，使樹脂更有效地潤濕纖維，因而使改性后的芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料韌性提高8%。 4.3 等離子體表面接枝表面接枝技術(shù)分為兩大類：一是發(fā)生在苯環(huán)上的接枝反應(yīng)；另一種則是取代芳綸表面層分子中酰氨鍵上

18、的氫的接枝反應(yīng)。目前對芳綸的表面改性研究較多的是等離子體處理技術(shù)。低溫等離子體接枝聚合反應(yīng)一般分為兩個階段20：首先是芳綸表面經(jīng)等離子體處理產(chǎn)生的活性自由基和官能團形成活性中心，然后與氣體接觸,引發(fā)單體進行接枝聚合反應(yīng)。這種處理方法能有效改善纖維的表面性能，提高纖維表面粗糙度，并最終提高纖維復(fù)合材料的性能21。結(jié)束語 影響纖維/樹脂基復(fù)合材料性能的因素很多，如纖維與樹脂基體的匹配性、成型工藝中的質(zhì)量控制參數(shù)優(yōu)化等，以上介紹了玻纖、碳纖維及芳綸纖維表面處理方法，主要是針對如何提高纖維與樹脂基體的粘接性能，還有其它一些處理方法，實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)纖維類型、基體材料的種類及實際需要和條件來選擇表面處

19、理方法?？傊?，作為先進復(fù)合材料的增強材料，對纖維的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、表面改性的研究將會受到越來越多的關(guān)注，碳纖維、芳綸纖維也將在航天領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻 1 楊俊, 蔡力鋒, 林志勇. 增強樹脂用玻璃纖維的表面處理方法及其對界面的影響J. 塑 料, 2004, 33(1):56. 2 陳平, 于祺, 路春. 纖維增強聚合物基復(fù)合材料的界面研究進展J. 纖維復(fù)合材料, 2005, 3(1): 5358. 3 洪鈞, 畢松梅. 改性處理對熱塑性聚合物基復(fù)合材料性能的影響J. 化工新型材料, 2011, 39(9): 131.4 趙若飛, 周曉東, 戴干策. 玻璃纖維增強聚丙烯界面處理

20、研究進展J. 玻璃鋼/復(fù)合材 料, 2000, 5: 49. 5 Wazisman. Surface chemistry of plastic reinforced by strong fibersJ. IEC Product Research and Development, 1963, 8(2): 98111. 6 徐蓉, 邢帆, 林漢昭, 譚慧珍等. 聚丙烯/玻璃纖維的界面改性研究(I)不同界面改性方法 的比較J. 廣州化工, 2000, 28(2): 78.7 P G Pape, E P Plueddemann. Improvements in saline coupling agen

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