纖維增強復合材料表面形態(tài)的現(xiàn)代儀器分析

纖維增強復合材料表面形態(tài)的現(xiàn)代儀器分析

在纖維增強樹脂基材料中，纖維與基界面的粘度是決定界面強度的重要標志。因此，提高接口粘接性能是建筑材料界面控制技術(shù)的重要因素之一。纖維與基界面的形成通常經(jīng)歷纖維與基的接觸和潤濕過程。由于纖維對基質(zhì)分子的吸附能力、不同的基或系統(tǒng)中的不同組件的吸附能力不同，在界面形成過程中，潤濕或不潤濕取決于纖維與基質(zhì)或其他成分的吸引力。為了產(chǎn)生潤濕現(xiàn)象，纖維總是要吸附可以減少表面能力的材料，尤其是可替代的表面能力。這是改善纖維和樹脂之間的潤濕，并提高界面中的粘度強度。關(guān)于這一點的研究報道很多，但關(guān)于表面形態(tài)的研究報道很少。在這項工作中，我們專注于研究一些典型的偶聯(lián)劑來處理纖維表面的形狀和激活機制。1實驗部分1.1酰氧丙基三甲氧基硅烷kh560KH550(r-氨丙基三甲氧基硅烷),KH570(r-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷),遼寧蓋縣化工廠產(chǎn)品;KH560(r-縮水甘油基丙基三甲氧基硅烷),美國奧斯卡有機硅有限公司產(chǎn)品;玻璃纖維,無堿,纖維直徑為22cm,經(jīng)集束劑處理,廣東珠海玻璃纖維廠產(chǎn)品.1.2偶聯(lián)反應(yīng)工藝首先將玻璃纖維置于馬福爐中高溫灼燒,去除纖維表面原有的浸潤劑,再進行表現(xiàn)偶聯(lián)處理.玻璃纖維用一定濃度的偶聯(lián)劑溶液浸泡約10分鐘,并不斷振蕩溶液,然后將玻璃纖維在室溫下放置1～2小時,再在120℃下加熱約4小時,冷卻備用.其工藝過程的示意圖如下:1.3掃描電子顯微鏡sem用日立S-550型掃描電子顯微鏡觀察玻璃纖維經(jīng)表面處理前后的表面形態(tài).1.4紅外光譜分析t-ir所用儀器為美國NicoletMS-X型FT-IR光譜儀,樣品為粉末KBr壓片.2結(jié)果與討論2.1玻纖表面化學偶合硅烷偶聯(lián)劑的使用改變了玻璃纖維的表面自由能,而纖維的表面自由能又是影響其浸潤、吸附和粘結(jié)等性能的重要參數(shù).胡福增等人研究的結(jié)果認為:以硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃纖維,原來極性較強的玻纖表面的羥基轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性較低的醚鍵,導致表面能的降低(如表1).然而,Ziman浸潤理論認為:玻璃纖維表面能的提高更有利于基體的潤濕,因此,用Zisman理論并不能很好地解釋經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后玻纖表面極性的變化.但是,用化學鍵理論則可很好地解釋,即:偶聯(lián)劑處理后即使表面潤濕得不到改善,但由于纖維表面的活性基團與之有較好的化學偶合,界面粘結(jié)強度仍可得以提高.2.2非硅烷偶聯(lián)劑處理纖維與基體界面層的形成通常經(jīng)歷纖維與基體的接觸和潤濕過程.由于纖維對基體分子中各種基團或?qū)w系中各種組份的吸附能力不同,在界面形態(tài)過程中,潤濕或不潤濕取決于纖維與基體或其它組分的吸引力大小.要產(chǎn)生潤濕現(xiàn)象,纖維總是要吸附那些降低其表面能的物質(zhì),尤其是優(yōu)先吸附那些能較大地降低其表面能的物質(zhì).對玻璃纖維表面進行偶聯(lián)劑處理的目的一方面是改善纖維與樹脂之間的潤濕,另一方面是提高界面的粘結(jié)強度.纖維與基體界面的粘結(jié)程度是決定其界面強度的重要標志,因此,改善界面粘合性能是復合材料界面控制技術(shù)的關(guān)鍵因素之一.圖1是一組玻璃纖維表面形態(tài)的SEM照片,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理過的樣品均用二甲苯抽提.可以看到,未經(jīng)偶聯(lián)劑處理(圖1-a)的玻纖表面光滑,看不到有附著物;而分別用硅烷偶聯(lián)劑處理過的玻纖的表面均比較粗糙,有許多附著物.如圖1b-d,由于硅烷偶聯(lián)劑可為二甲苯所溶解,經(jīng)溶劑抽提后仍保留在玻纖表面的附著物應(yīng)是與纖維表面發(fā)生化學反應(yīng)而包覆于纖維表面的偶聯(lián)劑.2.3反應(yīng)物理分析為了進一步驗證在本工作的實驗條件下偶聯(lián)劑與玻纖表面的相互作用及其本質(zhì),為以后開展纖維表面聚合物復合涂層處理提供科學依據(jù),我們設(shè)計了下面的實驗來研究纖維進行表面處理時的表面活化機理.本實驗所用的偶聯(lián)劑分別是KH-570,KH-560和KH-550,它們各自的分子結(jié)構(gòu)式為:玻璃纖維的主要成分為SiO2,為了增加界面層在試樣中所占的比例,使界面層變化信息得以增強,我們采用比表面積較大的沉淀法制備的超細(表面積>200)作為玻璃纖維的模擬載體,分別用KH-550,KH-560和KH-570進行表面處理.圖2～4是分別以KH-550,KH-560及KH-570處理過的經(jīng)熱處理前后的紅外光譜圖.從圖中可以看出,經(jīng)熱處理后,三個體系在1050～1090cm-1處的吸收峰均變寬,吸收也增強,表明在此范圍內(nèi)有新的吸收峰產(chǎn)生,這些新產(chǎn)生的吸收峰均歸屬為Si-O-Si吸收,因而都應(yīng)該是硅氧烷與之發(fā)生相互作用后產(chǎn)生的,說明玻璃纖維經(jīng)偶聯(lián)劑處理后,確實在其界面處發(fā)生化學鍵合作用.綜合文獻中相關(guān)的報導,這些表面反應(yīng)的機理可歸納為:首先是有機硅氧烷水解,生成硅醇,然后再與玻纖表面的羥基反應(yīng),生成穩(wěn)定的Si-O-Si鍵結(jié)構(gòu).反應(yīng)過程可表達為:反應(yīng)式中R-SiX3為硅烷偶聯(lián)劑的通式,其中R是可與聚合物基體產(chǎn)生相互作用的基團,X為甲氧基、乙氧基和氯等能夠發(fā)生水解的基團或原子,GF代