偶聯(lián)劑偶聯(lián)gfrmcn對mr-500鋁合金復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

偶聯(lián)劑偶聯(lián)gfrmcn對mr-500鋁合金復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

鑄造尼龍，也稱為單柱重復(fù)造林，簡稱mc-rol，是優(yōu)良的建筑材料之一。除具有尼龍的共性外,還具有聚合溫度低、工藝簡單、結(jié)晶度高、分子量大且分布均勻、密度小、力學(xué)性能好、減震耐磨、自潤滑、耐腐蝕、使用溫度范圍寬等優(yōu)點。但普通MC尼龍存在低溫韌性較差、尺寸穩(wěn)定性差等缺點。為此,國內(nèi)外在MC尼龍增強、增韌、減摩、抗靜電方面的研究比較活躍,包括采用玻璃纖維增強。復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于增強體和基體之間界面結(jié)合狀態(tài)。用偶聯(lián)劑進行表面處理就是通過化學(xué)或物理的作用將兩種性質(zhì)差異很大的不易結(jié)合的材料牢固地結(jié)合起來。用偶聯(lián)劑處理玻璃纖維表面既可保護纖維不受磨損,也可為玻璃纖維與聚合物基體間的粘結(jié)提供良好的界面,從而達到提高復(fù)合材料性能的目的。迄今為止,玻璃纖維增強MC尼龍復(fù)合材料的研究已較多,但就玻璃纖維表面處理對MC尼龍復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究尚不夠系統(tǒng)。本文旨在考察偶聯(lián)劑處理玻璃纖維表面對MC尼龍復(fù)合材料力學(xué)性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,探討玻纖偶聯(lián)劑處理對玻璃纖維增強MC尼龍復(fù)合材料(GFRMCN)力學(xué)性能的影響和機理。1實驗方法1.1實驗試劑和儀器實驗用己內(nèi)酰胺,中國石化股份公司巴陵分公司生產(chǎn);氫氧化鈉,上?；瘜W(xué)試劑有限公司生產(chǎn);聚異氰酸酯膠,大連市金州區(qū)粘膠劑廠生產(chǎn);無堿玻璃纖維,100目,南京玻璃纖維研究設(shè)計院生產(chǎn);硅烷偶聯(lián)劑KH-550、KH-570,南京市東凱精細化工廠生產(chǎn)。旋片式真空泵,中國臨海市精工真空設(shè)備廠生產(chǎn),型號為2XZ-4;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海恒三儀器有限公司生產(chǎn),型號為101-1;電子萬能試驗機,長春試驗機研究所生產(chǎn),型號為CSS-441000;掃描電子顯微鏡,日本FEI公司生產(chǎn),型號為Quanta200。1.2mc尼龍復(fù)合材料的制備將己內(nèi)酰胺單體融化后加熱抽真空脫水,保持溫度為130～140℃左右,一段時間后加入定量的NaOH和預(yù)熱的玻璃纖維,攪拌后繼續(xù)加熱抽真空,溫度為130～140℃,沸騰結(jié)束后停止抽真空加熱,加入定量的助催化劑聚異氰酸酯膠,澆鑄聚合,固化后隨爐冷卻,脫模,即制得玻璃纖維增強MC尼龍復(fù)合材料。在制備復(fù)合材料的過程中,玻璃纖維需預(yù)先進行表面處理。將一定量偶聯(lián)劑溶于無水乙醇中形成溶液,再加入30%質(zhì)量分數(shù)的玻璃纖維,混合均勻,30min后于120℃烘干,經(jīng)研磨,100目過篩,以備用。制備的試樣拉伸強度按GB1447-83測試;彎曲強度按GB1449-83測試。2結(jié)果與討論2.1偶聯(lián)劑的應(yīng)用表1列出了用純尼龍、未處理玻纖以及KH-550和KH-570處理玻纖復(fù)合的GFRMCN力學(xué)性能。所用的玻璃纖維含量均為復(fù)合材料質(zhì)量分數(shù)的30%,處理玻纖時偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)均為玻纖質(zhì)量分數(shù)的0.2%,并采用無水乙醇浸潤處理。從表1可以看出,不同偶聯(lián)劑處理玻璃纖維,對GFRMCN力學(xué)性能的影響很大。玻璃纖維未經(jīng)偶聯(lián)劑處理,得到的GFRMCN試樣彎曲強度、拉伸強度和沖擊強度均比純尼龍試樣有所降低。用KH-550處理的玻璃纖維改性的MC尼龍試樣,彎曲強度較純MC尼龍?zhí)岣吡?5%,彎曲模量提高了72%,拉伸強度提高了46%,彈性模量提高了88%,沖擊強度提高了41%,硬度提高了9%,各項性能均比純MC尼龍有很大的提高;然而,經(jīng)KH-570處理的玻璃纖維改性的MC尼龍試樣,其拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均比純尼龍試樣有不同程度的降低。兩種偶聯(lián)劑處理導(dǎo)致GFRMCN力學(xué)性能的差異可用偶聯(lián)劑對復(fù)合材料中增強體與基體的作用機理來闡明。本文中所用的偶聯(lián)劑KH-550全稱為γ-氨丙基三乙氧基硅烷,結(jié)構(gòu)式為H2N(CH2)Si(OC2H5)3;KH-570全稱為γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,結(jié)構(gòu)式為KH-550和KH-570均屬于有機硅烷偶聯(lián)劑,其分子式一般可用RnSiX4-n(n<4自然數(shù))通式表示。兩者的X基團(—OC2H5和—OCH3)均為硅氧基,它們可通過水解作用與玻璃纖維發(fā)生縮合反應(yīng);但是兩者的R基團不同,KH-570的有機官能團R為甲基丙烯酰氧基,它無法與尼龍形成有效的化學(xué)鍵,因此不能在玻璃纖維和尼龍基體間形成有效的界面結(jié)合;而KH-550的有機官能團R為氨基—NH2,MC尼龍在聚合過程中由于助催化劑的活化,形成具有大量酰亞胺結(jié)構(gòu)的高分子長鏈,這個氨基—NH2可以進攻酰亞胺結(jié)構(gòu)中的羰基,并與之連接起來,其反應(yīng)如下:這樣KH-550通過化學(xué)鍵將尼龍基體與玻纖結(jié)合起來,完成兩種化學(xué)性質(zhì)不同材料間的偶合,從而提高了界面強度。綜上所述,在玻璃纖維增強MC尼龍復(fù)合材料中,采用偶聯(lián)劑KH-550處理的增強效果比用KH-570處理更好。2.2偶聯(lián)劑用量對gfrmcn復(fù)合材料力學(xué)性能的影響圖1為偶聯(lián)劑用量對GFRMCN力學(xué)性能的影響的實驗結(jié)果,同時將純尼龍的力學(xué)性能用橫線表示出,直觀反映玻纖起到增強尼龍基體作用時的KH-550用量范圍。從圖1中可以看出,雖然采用相同的KH-550偶聯(lián)劑處理玻璃纖維,但是偶聯(lián)劑用量的不同對GFRMCN的增強效果也有所不同。當偶聯(lián)劑用量為0%,即玻璃纖維表面不經(jīng)過偶聯(lián)劑處理,得到的GFRMCN與純MC尼龍相比,強度指標明顯有所降低;隨著偶聯(lián)劑用量逐漸增加,GFRMCN力學(xué)性能隨之迅速改善,但是此時玻璃纖維在基體中仍沒有起到增強效果,GFRMCN力學(xué)性能仍然低于純尼龍材料;只有當偶聯(lián)劑用量超過一定數(shù)值(約0.1%)以后,玻璃纖維才會對尼龍基體起到明顯的增強效果;當偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)約為玻璃纖維的0.2%時,GFRMCN復(fù)合材料力學(xué)性能達到最優(yōu),與純MC尼龍相比,彎曲強度達到163MPa,提高了35%,彎曲模量達到5.893GPa,提高了72%;拉伸強度達到107MPa,提高了46%,彈性模量達到4.845GPa,提高了88%;無缺口沖擊強度達到72kJ/m2,提高41%;硬度達到82,提高9%;此后,隨著偶聯(lián)劑用量的繼續(xù)增加,GFRMCN力學(xué)性能在不同程度上有所下降,最終甚至低于純尼龍。由此可見,經(jīng)不同用量偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維在MC尼龍中并非都能表現(xiàn)出增強GFRMCN的效果,只有在偶聯(lián)劑用量適中時,才能對MC尼龍復(fù)合材料有增強作用。有機硅烷偶聯(lián)劑的用量一般為處理基材(增強材料玻璃纖維)質(zhì)量的0.1%～3.0%。硅烷偶聯(lián)劑(SCA)在玻纖表面形成理想的單分子覆蓋情況時所需的量(W)可用下式計算:式中:W為有機硅烷偶聯(lián)劑(SCA)的用量(g);W1為玻璃纖維用量(g);S1為玻璃纖維的比表面積(m2/g);S2為SCA的最小包覆面積(m2/g)。有機硅烷偶聯(lián)劑最小包覆面積是指從溶液中沉淀出1g有機硅烷偶聯(lián)劑所覆蓋玻璃纖維的表面積,不同的有機硅烷偶聯(lián)劑的最小包覆面積不同。而且,偶聯(lián)劑在處理基體表面上的涂覆并非只是單分子層,而是約有10個單分子層厚度連續(xù)而均勻的薄膜,且增強材料單絲間的空隙往往比表面上含有更多的偶聯(lián)劑。本實驗中采用KH-550硅烷偶聯(lián)劑處理100目無堿E玻纖,查得KH-550的最小包覆面積大約為354m2/g,無堿E玻璃纖維的比表面積約為0.1354m2/g,由公式(1)得出KH-550質(zhì)量約為增強材料(玻璃纖維)質(zhì)量的0.02%,則10個單分子層包覆玻纖所需KH-550用量恰好是玻纖質(zhì)量的0.2%左右。因此可以認為偶聯(lián)劑KH-550質(zhì)量與處理的玻璃纖維質(zhì)量之間符合關(guān)系式:2.3基納米學(xué)增強作用未處理的玻璃纖維作為增強材料時,不但沒有使性能得到提高,反而降低了MC尼龍復(fù)合材料的性能;而用處理得當?shù)牟ＡЮw維來增強,復(fù)合材料力學(xué)性能得到了大幅度的提高,說明玻璃纖維的表面處理對復(fù)合材料性能起著至關(guān)重要的作用。通過觀察拉伸斷口SEM照片進一步分析表面處理對玻纖與基體之間的界面結(jié)合的影響及其與復(fù)合材料性能的關(guān)系(圖2、圖3)。圖2是純MC尼龍拉伸斷口的SEM照片,表現(xiàn)為典型的均質(zhì)材料韌性斷裂。圖3(a)、3(b)是未經(jīng)處理的玻璃纖維增強MC尼龍復(fù)合材料拉伸斷口的掃描電鏡照片?？梢钥吹?玻璃纖維表面十分光滑,未與尼龍基體產(chǎn)生任何結(jié)合,而是簡單堆砌在尼龍基體中,斷裂時尼龍基體沿界面剝離,而玻璃纖維斷裂的位置并不在基體主裂紋平面上,而是出現(xiàn)在基體中,所以斷面有大量露頭的拔出纖維以及玻璃纖維拔出后留下的孔洞?？梢?未經(jīng)表面處理的玻璃纖維不僅不能與尼龍基體形成良好的界面結(jié)合,反而在玻璃纖維與基體的界面處留有空隙,使基體的承載能力整體降低。當試樣受到外應(yīng)力作用時,由于基體與纖維在模量上的差距,順著纖維軸向的拉應(yīng)力使基體與纖維的縱向變形不同,在纖維兩端的界面上產(chǎn)生相對較大的剪應(yīng)力,從而使玻璃纖維一端或兩端脫粘,繼而出現(xiàn)滑動,最終玻璃纖維被直接從尼龍基體中拔出,而其增強作用完全沒有得到發(fā)揮;另外,玻纖與尼龍界面成為復(fù)合材料中最薄弱環(huán)節(jié),加入的玻纖在尼龍基體上形成大量的界面,這些界面也就相當于材料中的缺陷,從而使復(fù)合材料的整體強度降低,甚至低于純尼龍。圖3(c)、3(d)是用量0.2%KH-550偶聯(lián)劑處理玻纖增強MC尼龍復(fù)合材料的拉伸斷面形貌。從圖中可以看到,通過KH-550偶聯(lián)劑處理后,玻璃纖維與尼龍基體之間界面結(jié)合良好,不再是復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié),拉伸斷口沒有玻璃纖維拔出現(xiàn)象,玻璃纖維與尼龍基體的斷裂面同層,基體將所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給玻璃纖維,發(fā)揮出玻璃纖維的增強作用。一般認為,在玻纖復(fù)合材料中,玻璃纖維是主要的承力組分,當受到載荷時,斷裂通過界面作用,將基體所承受的載荷傳遞給纖維,由于玻纖軸向傳遞,應(yīng)力被迅速擴散,阻止裂紋的增長,在載荷累積達到纖維強度以上時,引起纖維的斷裂,復(fù)合材料亦被破壞,即發(fā)揮了纖維的增強作用;同時這種傳遞作用在一定程度上起到了力的分散作用,即能量的分散作用,從而增強了材料承受外力作用的能力,在宏觀上顯示出材料的彎曲強度、拉伸強度等力學(xué)性能大幅度提高。3結(jié)論(1)性能的影響不同偶聯(lián)劑表面處理對GF