玻璃纤维界面改性及其复合材料力学性能的研究进展.pdf

纺织科学与工程学报 第 卷第 期(总第 期)年 月 ()收稿日期:基金项目:浙江省教育厅一般项目()浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目()浙江理工大学绍兴柯桥研究院科研专项项目()第一作者简介:赵智奎()男硕士研究生研究方向:玻璃纤维增强阻燃树脂基复合材料通信作者简介:严小飞()男博士副教授硕士生导师:/玻璃纤维界面改性及其复合材料力学性能的研究进展赵智奎戚栋明王龙飞江国华严小飞(.浙江理工大学材料科学与工程学院浙江 杭州.浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)浙江 杭州.浙江省现代纺织技术创新中心浙江 绍兴)摘 要:由于优异的力学性能玻璃纤维增强树脂基复合材被广泛的研究应用 但玻璃纤维属于无机非金属材料其表面光滑化学性惰而限制了其应用 通过对玻璃纤维表面的改性提高其表面化学活性和粗糙度改善与树脂基体的界面结合 综述了各类玻璃纤维表面改性方法对复合材料力学性能作用如物理沉积改性、化学接枝改性、表面纳米结构构建等并且对其相应的一些研究和应用前景进行了展望关键词:玻璃纤维 复合材料 界面改性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引言纤维增强树脂基复合材料由于质轻、易加工、杨氏模量高、耐化学腐蚀等特点在航天、军事、汽车、建筑等领域被广泛的应用 玻璃纤维()具有机械性能好、比强度高、耐高温、耐化学腐蚀、易加工、价格便宜等优点常作为复合材料增强体 纤维增强复合材料中纤维与基体之间的界面结合决定了复合材料的应力传递效率和材料的使用寿命 通常玻璃纤维属于无机非金属材料其表面光滑、化学性能稳定、与树脂基体的界面结合性较差 因此需对玻璃纤维表面进行一定化学或者物理改性以提升纤维与基体的界面结合牢度提高复合材料的力学性能本文综述了近年来玻璃纤维界面改性对增强树脂基复合材料力学性能的影响研究进展以指导更高效的界面改性研究加快工业化的应用与发展并对其相应的一些研究和应用前景进行了展望 玻璃纤维增强树脂基复合材料的表面改性 玻璃纤维增强树脂基复合材料的表面改性主要是通过物理沉积、化学接枝和表面纳米结构构建等方式来增大玻璃纤维表面的粗糙程度和接枝有机化合物以提高纤维与树脂间的界面结合提升复合材料的力学性能.玻璃纤维表面物理沉积改性玻璃纤维表面物理沉积改性是将改性物质在玻璃纤维表面上沉积一层或者多层以提高玻璃纤维表面的粗糙度和与树脂基体的相容性 常见的改性物质可以分为有机化合物、无机化合物、有机无机混合物等.玻璃纤维表面有机化合物物理沉积改性将特有的有机化合物包裹在玻璃纤维的表面并将其作为桥梁使玻璃纤维与树脂基体有更好的界面结合 等通过可逆加成断裂链转移()聚合自组装合成了两亲型施胶剂 第 期玻璃纤维界面改性及其复合材料力学性能的研究进展和 这种不含表面活性剂的施胶剂能在 表面产生氢键和静电吸附 同时能与聚丙烯()基体形成分子纠缠、烷基阳离子和 共轭从而改善玻璃纤维与 基体之间的界面结合性 如图 为 改性/复合材料的界面相互作用机理示意图 研究表明 改性的/复合材料的拉伸强度和弯曲强度比未改性的复合材料分别提高了.和.图 改性/复合材料的界面相互作用机理示意图 等研究了不同纤维表面的聚多巴胺()改性对环氧树脂复合材料力学性能影响研究表明芳纶和玻璃纤维表面 改性对复合材料的抗拉强度并没有得到有效的提高而碳纤维表面改性对复合材料的强度和韧性都有所提高.玻璃纤维表面无机化合物物理沉积改性通过将一定结构的无机材料或者富含较多官能团的无机材料包覆在玻璃纤维的表面提高其表面粗糙度和化学活性增强纤维与树脂间的机械联锁和界面结合 等通过电喷雾沉积法()将碳纳米管沉积在玻璃纤维的表面制备了玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料并采用双悬臂梁试验方法()测定了 型层间断裂韧性 研究表明玻璃纤维表面改性后的复合材料其断裂韧性要比玻璃纤维表面未改性的复合材料提高 通过断口形貌分析揭示了层间断裂韧性增强的机制改性玻璃纤维增强复合材料在断裂时存在纤维桥接行为这种行为的发生可以有效地提高复合材料的断裂韧性 等在原子尺度上研究了石墨烯和单壁碳纳米管()涂层对玻璃纤维增强环氧树脂界面性能的影响 以二氧化硅结构表示玻璃纤维将石墨烯和单壁碳纳米管夹在环氧树脂和二氧化硅之间形成夹层结构 利用分子动力学模拟分析了夹芯结构的界面脱粘行为 脱粘从靠近界面的环氧树脂边缘开始向环氧树脂内部扩散表现出内聚破坏模式 尽管环氧树脂和碳纳米管之间开始了脱粘但环氧树脂和碳纳米管之间的联锁阻止了聚合物链的进一步运动导致在二氧化硅和碳纳米管之间的界面发生失效呈现胶粘剂失效模式 研究表明石墨烯和单壁碳纳米管的加入显著提高了环氧树脂和玻璃纤维之间的界面能纤维与环氧树脂基体的界面结合力也得到了提升图 复合材料裂纹扩展过程中 试样的纤维桥接图)未改性的复合材料)改性的复合材料图 改性玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的界面失效机理示意图()为石墨烯涂层界面破坏机理()为 涂层界面破坏机理.玻璃纤维表面有机无机混合物物理沉积改性有机化合物和无机化合物共同对玻璃纤维表面进行沉积改性其各自发挥独有的优势与特点提升玻璃纤维与树脂基体的界面结合 等通过将聚多巴胺/碳化硅/聚乙烯亚胺共沉积在玻璃纤维的表面制备了聚四氟乙烯纤维与改性玻璃纤维混杂织物复合材料如下页图 所示 运用拉伸和剥离测试得出改性玻璃纤维织物的界面黏附性增强了.这是由于功能涂层对玻璃纤维织物表面的改性提高了织物表面的粗糙度和丰富的氨基从而改善了玻璃纤维织物与聚四氟乙烯基体界面结合强度纺织科学与工程学报 年 月图 改性玻璃纤维增强聚四氟乙烯复合材料的制备过程示意图 等研发了一种新型的两亲性施胶剂用来改善玻璃纤维增强聚丙烯复合材料之间因其化学惰性和两种原材料表面能的巨大不匹配而导致的界面结合弱的现象如图 所示 研究表明改性后的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面抗剪强度增加到了.分别比纯玻纤聚丙烯界面(.)和 商 用 玻 纤聚 丙 烯 界 面(.)提高了.和.图 改性玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面上双耦合相互作用示意图.玻璃纤维表面化学接枝改性相对于物理沉积改性化学接枝改性是以化学反应为基础将改性物质接枝在玻璃纤维的表面因此具有更好的纤维表面包覆效果且不易脱落玻璃纤维表面的化学接枝物包括有机化合物、有机无机杂化物等.玻璃纤维表面有机化合物化学接枝改性通过将有机化合物接枝在玻璃纤维的表面可以提高表面粗糙度增强与树脂的机械联锁也可以改变纤维表面的浸润性有利于改善与树脂基体的相容性 等用(氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷偶联剂()对玻璃纤维表面进行改性用液态环氧天然橡胶()对复合材料的基体进行改性 通过这些改性研究其对复合材料的耐水性、硬度等方面的影响如图 所示 研究表明改性后的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料其耐水性和硬度都得到了提高 这是由于玻璃纤维表面的化学接枝改性使得纤维与树脂界面结合的更加牢固减少了空隙从而提高了复合材料的耐水性与硬度图 水分子与)环氧树脂)环氧树脂)未处理玻璃纤维)处理玻璃纤维之间可能相互作用的示意图 等用 硅 烷 偶 联 剂 和 磺 化 聚 醚 醚 酮()改性玻璃纤维制备了玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料 运用分子动力学模拟对复合材料影响进行了分析如图 所示 研究表明硅烷偶联剂和磺化聚醚醚酮表面改性过的玻璃纤维增强 复合材料其纤维与树脂基体的界面结合得到改善抗拉强度和抗弯强度较未改性的玻璃纤维增强 复合材料分别提高了.和.图 玻璃纤维表面改性增强 复合材料的界面示意图.玻璃纤维表面有机无机杂化物化学接枝改性玻璃纤维表面有机化合物的接枝改性对玻璃纤维表面粗糙度的影响相对有限无机化合物的加入可以更大程度地影响玻璃纤维表面的粗糙度 等通过 氨基丙基三甲氧基硅烷()第 期玻璃纤维界面改性及其复合材料力学性能的研究进展对氧化铁颗粒和玻璃纤维表面进行改性如图 所示 研究表明 改性的复合材料比未改性的复合材料具有更好的耐磨性和更低的摩擦系数这是由于改性后的玻璃纤维与环氧树脂基体间的附着力提高具有较高的抗外部剪切力 产生载荷可有效地转移到树脂基体上并保持较高的稳定性以抵抗磨损、粘附和冲蚀磨损机制图 硅烷偶联剂对 玻璃纤维及氧化铁颗粒的表面改性工艺 等通过将聚二甲基硅氧烷()作为有机前驱体正硅酸四乙酯()为硅源通过溶胶凝胶法制备了有机无机杂化改性玻璃纤维表面的玻璃纤维增强聚四氟乙烯复合材料如图 所示 玻璃纤维表面的有机无机杂化改性使得 与玻璃纤维表面形成更好的物理机械联锁也使玻璃纤维表面与聚四氟乙烯有更相近的溶解度参数()增加聚四氟乙烯对纤维表面润湿性提高了界面粘合力图 玻璃纤维表面有机无机杂化改性的示意流程图.玻璃纤维表面的纳米结构构建改性纳米材料因其结构而具有表面与界面效应等特性被广泛的研究与应用 玻璃纤维表面纳米结构构建主要是将纳米颗粒、纳米纤维(管)、纳米片等纳米材料改性在玻璃纤维的表面从微观结构改善其界面结合提高复合材料力学性能.玻璃纤维表面的纳米颗粒改性纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料由纳米粒子组成属于零维纳米材料 等通过环氧基反应性(缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷)和非反应性(甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷)的两种硅烷偶联剂对玻璃纤维表面进行改性采用纳米二氧化硅颗粒对硅烷改性后的玻璃纤维表面进行纳米结构构建 研究表明玻璃纤维表面进行有机化学接枝和纳米结构构建对提高复合材料抗拉强度和韧性都有好处 化学接枝提高界面的相容性纳米结构构建增加了界面的机械联锁强度 等用胶体二氧化硅纳米颗粒、介孔二氧化硅气凝胶、碳化硅纳米颗粒和纳米晶须对玻璃纤维进行表面微结构改性 研究表明玻璃纤维经纳米颗粒改性表面有更高的摩擦系数和粗糙度用二氧化硅气凝胶表面改性复合材料的界面剪切强度()最大提高了 用二氧化硅气凝胶处理的样品的剪切冲孔应力增加了 用二氧化硅纳米颗粒处理的样品的剪切冲孔应力增加了 使用.的 纳米晶须处理的复合材料的拉伸和弯曲强度分别提高了 和 使用相同含量的 纳米颗粒处理的复合材料的拉伸和弯曲强度分别提高了 和.玻璃纤维表面的纳米纤维(管)改性纳米纤维(管)属于一维纳米材料其具有高强度、高韧性、高表面活性等特点被广泛研究与应用 等通过 甘二氧基丙基三甲氧基硅烷()将不同浓度的纤维素纳米纤维()接枝在玻璃纤维的表面从而探究其对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料抗弯强度和界面剪切强度()的影响如图 所示 研究表明随着 含量的增加复合材料的 最大增加了 而抗弯强度提高了 由此可见玻璃纤维表面接枝 可显著提高环氧树脂基复合材料的强度图 玻璃纤维与环氧树脂界面脱粘裂纹扩展示意图 等通过将聚乙烯亚胺()功能化的纺织科学与工程学报 年 月羧基多壁碳纳米管()接枝到玻璃纤维()表面改善了玻璃纤维与 树脂基体间的界面结合提高了 复合材料的力学性能如图 所示 研究表明/复合材料的抗拉强度和弯曲强度分别提高了.和.断裂拉伸伸长率提高了.这是由于玻璃纤维表面 改性所导致的 未反应的氨基(亚氨基)基与 酰胺基之间形成氢键也在玻璃纤维表面组建了致密的纳米网状结构与树脂基体形成机械联锁 最后跨晶在玻璃纤维表面的形成图 实验原理流程图)接枝到 的原理图)与 反应的原理图)增强 复合材料的原理图.玻璃纤维表面纳米片改性纳米片作为二维纳米材料由于其独特的物理和化学性质现已成为当今材料科学研究的焦点之一 研究发现碳纳米管、石墨烯、富勒烯和石墨烯纳米片已被公认为具有降低摩擦和增强力学性能的优点 等通过对玻璃纤维毡表面采用石墨烯纳米片()改性研究其对编织纤维增强环氧树脂复合材料()力学和摩擦学性能的影响如图 所示 通过.和 对样品进行改性得出随着 含量的增加 的 耐 磨 性 逐 渐 提 高 相 对 于 未 改 性 的.和 改性的 其在 米的磨损距离中摩擦系数()分别降低了约和 主要由于 的自润滑性能和玻璃纤维表面 改性改善了纤维与树脂之间的界面结合图 复合材料层合板的加工步骤示意图 结论与展望本文综述了近年来玻璃纤维表面不同改性方法对不同树脂基体进行增强的研究进展 本文着重介绍了一些玻璃纤维表面改性增强不同树脂基体的方法以供工业上的应用参考 玻璃纤维表面改性目的是为了增强纤维与树脂间的化学作用和机械联锁优化应力传递和分配提高复合材料的力学性能值得注意的是人们已用不同的改性材料与改性方法对玻璃纤维表面进行改性 并通过分子动力学模拟、高分辨率相衬层析成像技术等手段对复合材料界面的结合机制和失效机制进行了研究通过这些研究成果进一步采用简单高效的方法来完善玻璃纤维增强复合材料的界面研究仍是广大科研工作者需要不懈努力的发展方向参考文献 刘伟庆方海方园.纤维增强复合材料及其结构研究进展.建筑结构学报 ():.李琳.短纤维增强复合材料的制备及其力学性能研究.长春:吉林大学.韦鑫沈兰萍.玻璃纤维的研究现状及发展趋势.成都纺织高等专科学校学报():.万炳甲王明义.玻纤增强聚丙烯复合材料研究进展.工程塑料应用 ():.张辰饶云飞李倩倩等.碳纤维玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能及其模拟.复合材料学报 ():.:.第 期玻璃纤维界面改性及其复合材料力学性能的研究进展():.黄云刚黄维龙洪浩群等.界面改性对聚丙烯玻璃纤维复合材料力学性能影响.复合材料学报():.陈胜梁颖超吴方娟等.聚酰胺/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究.中国塑料 ():.():.():.():.:.():.():.:():./:/.():./.():.():.:():./:.():./.():.():.():.:():.(下转第 页)纺织科学与工程学报 年 月 ():().:.:(上接第 页)(.().):.:(上接第 页)():.: