偶聯劑偶聯gfrmcn對mr-500鋁合金復合材料力學性能的影響

偶聯劑偶聯gfrmcn對mr-500鋁合金復合材料力學性能的影響

鑄造尼龍，也稱為單柱重復造林，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、結晶度高、分子量大且分布均勻、密度小、力學性能好、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合狀態(tài)。用偶聯劑進行表面處理就是通過化學或物理的作用將兩種性質差異很大的不易結合的材料牢固地結合起來。用偶聯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提供良好的界面,從而達到提高復合材料性能的目的。迄今為止,玻璃纖維增強MC尼龍復合材料的研究已較多,但就玻璃纖維表面處理對MC尼龍復合材料力學性能影響的研究尚不夠系統。本文旨在考察偶聯劑處理玻璃纖維表面對MC尼龍復合材料力學性能影響規(guī)律的基礎上,探討玻纖偶聯劑處理對玻璃纖維增強MC尼龍復合材料(GFRMCN)力學性能的影響和機理。1實驗方法1.1實驗試劑和儀器實驗用己內酰胺,中國石化股份公司巴陵分公司生產;氫氧化鈉,上?；瘜W試劑有限公司生產;聚異氰酸酯膠,大連市金州區(qū)粘膠劑廠生產;無堿玻璃纖維,100目,南京玻璃纖維研究設計院生產;硅烷偶聯劑KH-550、KH-570,南京市東凱精細化工廠生產。旋片式真空泵,中國臨海市精工真空設備廠生產,型號為2XZ-4;電熱恒溫鼓風干燥箱,上海恒三儀器有限公司生產,型號為101-1;電子萬能試驗機,長春試驗機研究所生產,型號為CSS-441000;掃描電子顯微鏡,日本FEI公司生產,型號為Quanta200。1.2mc尼龍復合材料的制備將己內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尼龍復合材料。在制備復合材料的過程中,玻璃纖維需預先進行表面處理。將一定量偶聯劑溶于無水乙醇中形成溶液,再加入30%質量分數的玻璃纖維,混合均勻,30min后于120℃烘干,經研磨,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結果與討論2.1偶聯劑的應用表1列出了用純尼龍、未處理玻纖以及KH-550和KH-570處理玻纖復合的GFRMCN力學性能。所用的玻璃纖維含量均為復合材料質量分數的30%,處理玻纖時偶聯劑質量分數均為玻纖質量分數的0.2%,并采用無水乙醇浸潤處理。從表1可以看出,不同偶聯劑處理玻璃纖維,對GFRMCN力學性能的影響很大。玻璃纖維未經偶聯劑處理,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。兩種偶聯劑處理導致GFRMCN力學性能的差異可用偶聯劑對復合材料中增強體與基體的作用機理來闡明。本文中所用的偶聯劑KH-550全稱為γ-氨丙基三乙氧基硅烷,結構式為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,結構式為KH-550和KH-570均屬于有機硅烷偶聯劑,其分子式一般可用RnSiX4-n(n<4自然數)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;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鍵,因此不能在玻璃纖維和尼龍基體間形成有效的界面結合;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構的高分子長鏈,這個氨基—NH2可以進攻酰亞胺結構中的羰基,并與之連接起來,其反應如下:這樣KH-550通過化學鍵將尼龍基體與玻纖結合起來,完成兩種化學性質不同材料間的偶合,從而提高了界面強度。綜上所述,在玻璃纖維增強MC尼龍復合材料中,采用偶聯劑KH-550處理的增強效果比用KH-570處理更好。2.2偶聯劑用量對gfrmcn復合材料力學性能的影響圖1為偶聯劑用量對GFRMCN力學性能的影響的實驗結果,同時將純尼龍的力學性能用橫線表示出,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偶聯劑處理玻璃纖維,但是偶聯劑用量的不同對GFRMCN的增強效果也有所不同。當偶聯劑用量為0%,即玻璃纖維表面不經過偶聯劑處理,得到的GFRMCN與純MC尼龍相比,強度指標明顯有所降低;隨著偶聯劑用量逐漸增加,GFRMCN力學性能隨之迅速改善,但是此時玻璃纖維在基體中仍沒有起到增強效果,GFRMCN力學性能仍然低于純尼龍材料;只有當偶聯劑用量超過一定數值(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;當偶聯劑質量分數約為玻璃纖維的0.2%時,GFRMCN復合材料力學性能達到最優(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,隨著偶聯劑用量的繼續(xù)增加,GFRMCN力學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,經不同用量偶聯劑處理的玻璃纖維在MC尼龍中并非都能表現出增強GFRMCN的效果,只有在偶聯劑用量適中時,才能對MC尼龍復合材料有增強作用。有機硅烷偶聯劑的用量一般為處理基材(增強材料玻璃纖維)質量的0.1%～3.0%。硅烷偶聯劑(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)。有機硅烷偶聯劑最小包覆面積是指從溶液中沉淀出1g有機硅烷偶聯劑所覆蓋玻璃纖維的表面積,不同的有機硅烷偶聯劑的最小包覆面積不同。而且,偶聯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劑。本實驗中采用KH-550硅烷偶聯劑處理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質量約為增強材料(玻璃纖維)質量的0.02%,則10個單分子層包覆玻纖所需KH-550用量恰好是玻纖質量的0.2%左右。因此可以認為偶聯劑KH-550質量與處理的玻璃纖維質量之間符合關系式:2.3基納米學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尼龍復合材料的性能;而用處理得當的玻璃纖維來增強,復合材料力學性能得到了大幅度的提高,說明玻璃纖維的表面處理對復合材料性能起著至關重要的作用。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合的影響及其與復合材料性能的關系(圖2、圖3)。圖2是純MC尼龍拉伸斷口的SEM照片,表現為典型的均質材料韌性斷裂。圖3(a)、3(b)是未經處理的玻璃纖維增強MC尼龍復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,未與尼龍基體產生任何結合,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。可見,未經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力使基體與纖維的縱向變形不同,在纖維兩端的界面上產生相對較大的剪應力,從而使玻璃纖維一端或兩端脫粘,繼而出現滑動,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偶聯劑處理玻纖增強MC尼龍復合材料的拉伸斷面形貌。從圖中可以看到,通過KH-550偶聯劑處理后,玻璃纖維與尼龍基體之間界面結合良好,不再是復合材料的薄弱環(huán)節(jié),拉伸斷口沒有玻璃纖維拔出現象,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、拉伸強度等力學性能大幅度提高。3結論(1)性能的影響不同偶聯劑表面處理對GF