纖維增強(qiáng)不飽和聚酯的研究進(jìn)展
時(shí)間:2005-07-02
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料始于1908年，20世紀(jì)40年代玻璃纖維增強(qiáng)UP開始商品化。纖維增強(qiáng)UP具有良好的性價(jià)比，優(yōu)異的加工性、力學(xué)性能和耐化學(xué)性等，在航空、汽車、印刷集成電路等領(lǐng)域有極為廣泛的應(yīng)用。隨著UP改性技術(shù)的發(fā)展，纖維增強(qiáng)UP已逐漸成為UP改性的重點(diǎn)。采用纖維增強(qiáng)UP制備的復(fù)合材料的性能受許多因素影響，本文主要從影響材料性能的因素方面，總結(jié)了近幾年來纖維增強(qiáng)UP復(fù)合材料的研究進(jìn)展。
1、UP組成對(duì)其復(fù)合材料性能的影響
復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度是影響復(fù)合材料性能的重要參數(shù)之一。其界面結(jié)合強(qiáng)度與基體樹脂的選擇有關(guān)，并對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生很大的影響。POt.K等研究了UP的組成對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)UP的界面鍵合力強(qiáng)度的影響。它的影響通過UP層壓板的拉伸強(qiáng)度來衡量。不飽和度較低和線性甘油醚的含量較高能增加UP的柔性，提高玻璃纖維的粘接力，從而增加UP的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)UP組成為鄰苯酸酐：馬來酸酐：丙二醇；二酐醇=2：1：3.2:1.98（摩爾比）．苯乙烯的含量為40wt％，固化后UP樹脂的性能力：拉伸強(qiáng)度約為38MPa，拉伸模量約為2000MPa，斷裂伸長率約為4．4％。
Yu,J.L.等研究了碳纖維增強(qiáng)UP／聚氨酯雜化網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料、發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入聚氨酯的含量為20wt%時(shí)，聚酯的韌性和強(qiáng)度均提高。聚酯、苯乙烯、聚氨酯三者混合具有良好的相容性，在聚合反應(yīng)時(shí)形成同序的互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN），復(fù)合材料的最終互穿網(wǎng)絡(luò)形態(tài)結(jié)構(gòu)具有單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。臺(tái)會(huì)文等添加少量的聚氨酯與UP形成互穿網(wǎng)絡(luò)；采用纖維增強(qiáng)互穿網(wǎng)絡(luò)體系制濟(jì)復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)；少量聚氨酯（PU）的加入有利于增強(qiáng)樹脂與纖維之間的粘接力，使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高，在PU含量為5％時(shí)出現(xiàn)極值。當(dāng)聚氨酯的含量進(jìn)一步提高時(shí)，PU分子鏈的增多導(dǎo)致了IPN相疇尺寸的變化，使原來樹脂網(wǎng)絡(luò)與纖維之間的致密結(jié)合受到影響，但同時(shí)相疇的變化引起相分離的趨勢增強(qiáng)，樹脂產(chǎn)生了一定的能最吸收作用，有利于吸收沖擊能量；PU的含量低于5wt％時(shí)；拉伸強(qiáng)度基本不受PU含量的影響，大于5%時(shí)強(qiáng)度下降。原因在于少量的PU的加入，增加了體系的粘接力，故復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加，但增加的幅度不大。隨PU合民的增加，互穿網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生相分離的趨勢增加，影響粘接力，拉伸強(qiáng)度下降。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度影響因素復(fù)雜，在加入PU后彎曲強(qiáng)度變化不大。
2、增強(qiáng)材料類型對(duì)UP復(fù)合材料性能的影響
UP可選用不同的增強(qiáng)材料，如短切氈、玻纖織物、碳纖維、Kevlar織物和麻類織物。玻璃纖維增強(qiáng)UP是一種較早的復(fù)合材料。主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、高拉伸強(qiáng)度、耐化學(xué)性、極好的絕緣性等。Matias MC等利用傅立葉紅外光譜（FTIR）研究了玻璃纖維對(duì)UP樹脂固化行為的影響，利用兩種不同的玻璃纖維和樹脂制備了復(fù)合材料。NauvenHoa H等用玻璃纖維平紋布增強(qiáng) UP。研究發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度效果好。Masud AKM等用芳酰胺短切纖維制備UP復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和能量吸收隨纖維長度和含量的增加而增加。
對(duì)于天然纖維，尤其是大麻、亞麻、黃麻等具有一定的力學(xué)性能，可取代玻璃纖維來制備復(fù)合材料。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、低密度、高韌性、一定的強(qiáng)度性能、易分離、有較高的生物降解性等Huahes M等用植物纖維增強(qiáng)UP制備了大麻氈增強(qiáng)UP復(fù)合材料及短切玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，大麻增強(qiáng)的復(fù)合材料比短切玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的低韌性。Jain S等用竹纖維增強(qiáng)U P，研究發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度優(yōu)于玻璃纖維UP復(fù)合材料。O’De11 JL采用無編織黃麻纖維制備 UP復(fù)合材料板。其拉伸強(qiáng)度，拉伸和彎曲模量為商業(yè)化玻璃纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料板的50%。懸臂梁沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均低于玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。盡管采用天然纖維增強(qiáng)的UP復(fù)合材料有較多的優(yōu)點(diǎn)，但在這類復(fù)合材料中天然纖維是親水性的，其與疏水性策合物基體的相容性必然較差，同時(shí)由于纖維降解的可能性等均會(huì)影響復(fù)合材料的性能、因此有必要對(duì)纖維進(jìn)行表面處理。
3、纖維的表面改性對(duì)纖維增強(qiáng)UP性能的影響
纖維與基體的界面結(jié)合是影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的主要因素之一，因此界面結(jié)合的問題成為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。采用對(duì)纖維進(jìn)行上漿處理，可改善纖維與UP的界面結(jié)合力，從而提高纖維增強(qiáng) UP的力學(xué)性能。 Soo－Jin Papk等L利用聚乙烯酸（PVA）、聚酯和環(huán)氧樹脂上漿玻璃纖維的表面來提高纖維增強(qiáng)UP的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)漿料處理的復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）和臨界應(yīng)力-強(qiáng)度應(yīng)子（KIC）高于未上裝漿理的。上漿后的玻璃纖維的表面自由能也增大，其中用環(huán)氧樹脂處理的玻璃纖維具有最大的表面活性能（38．6MJ.m-2）和ILSS值（約為23MPa），并且發(fā)現(xiàn)表面活性能與ILSS和KIC有明顯的線性關(guān)系。上漿后的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度（Of）和彎曲彈性模量（Eb）均比未上漿的纖維復(fù)合材料大，其中以環(huán)氧樹脂處理的纖維復(fù)合材料值最大，約分別為200MPa。13GPa,qf比未上漿的增加約43％．而Eb增加值不多。從材料的斷裂表面的SEM照片發(fā)現(xiàn)未上j漿的與用PVA處理玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有低的力學(xué)界面性能（如ILSS和KIC）；而用環(huán)氧樹脂處理玻璃纖維制備復(fù)合材料，纖維與基體有強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能樹在RTM工藝中，液體樹脂侵入纖維在模具中完成，樹脂浸漬受幾個(gè)因素的影響，如液體樹脂的化學(xué)流變性的影響，纖維最后的走向成各自異性，樹脂的浸漬的壓力；纖維與樹脂制件的表面特性。其中，纖維浸潤是RTM工藝的一個(gè)重要方面，纖維浸潤性差會(huì)造成空隙的形成，影響纖維樹脂基體的粘接等，最終降低復(fù)合材料的力學(xué)性能及其它性能。 A．C．De Albuquerque等研究了黃麻粗紗增強(qiáng)的UP復(fù)合材料。黃麻粗紗經(jīng)BYK－A515處理后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。楊氏模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量隨纖維含量的增加而增加。當(dāng)纖維的含量為30％時(shí)，其拉伸強(qiáng)度為68.7Mpa，楊氏模量為1.4GPp斷裂伸長率為6.15％，彎曲強(qiáng)度為115MPa．彎曲模最為 4．25GPa。 Pott GT等處理過的亞麻與UP制備了復(fù)合材料。通過處理亞麻減少其濕度和腐蝕靈敏性，然后用于增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料。纖維的處理包括熱壓，溫度高于160度，在水中熱處理，干燥等。以此方法處理的纖維制備的復(fù)合材料與未處理的纖維制備的復(fù)合材料相比具有較好的力學(xué)性能和較好的再生性。
硅烷偶聯(lián)劑廣泛應(yīng)用于纖維處理。在纖維與硅烷仍聯(lián)劑的界面處，硅煉中的羥基與玻璃纖維表面互相通過硅氧鍵或氫鍵反應(yīng)。如果根據(jù)樹脂基體選擇適當(dāng)?shù)呐悸?lián)劑，可改善纖維的表面張力。C，W，Lee等采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維進(jìn)行表面改性，實(shí)驗(yàn)采用的偶聯(lián)劑是Ý（甲基丙烯酸氧基）丙基三甲基氧硅烷（Ý一MPS）。研究發(fā)現(xiàn)用Y－MPS處理玻璃纖維表面后，纖維由于羥基的疏水性，使得表圍能降低；由于宏觀流或微觀流及毛細(xì)管壓力的作用，玻璃纖維的滲透性比未處理過的小； UP復(fù)合材料的空隙量較低；其力學(xué)性能均有較大的提高。從復(fù)合材料斷裂表面電鏡照片可以看出，用Y－MPS處理的纖維表面與基體具有較強(qiáng)的界面粘接力。
研究表明采用含有氨基的硅烷偶聯(lián)劑能較好提高復(fù)合材料的界面力學(xué)性能。Soo-Jin Park等采用含 10wt％ Y一氨基丙基三乙氧基硅烷（APS）的Y－（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅（90Wt％，MPS）的不同濃度溶液（0．1－0．5wt%)處理玻璃纖維，研究硅煉偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)UP復(fù)合系列的力學(xué)界面性能的影響。研究表明使用偶聯(lián)劑導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度增加；用0.2wt％硅烷處理所得纖維復(fù)合材料應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)最大值，約為3．98MPa/m2；當(dāng)硅烷的濃度高于0.2wt％；復(fù)合材料的界面力學(xué)性能降低。Masud AKM等研究了纖維的處理對(duì)芳酰胺纖維復(fù)合材料的界面及彎曲強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)纖維處理后能同時(shí)影響界面剪切強(qiáng)度和纖維強(qiáng)度。A.k.Ssha等通過化學(xué)改性，利用氰乙基化作用提高黃麻在UP復(fù)合材料中的適用性。將改性的黃麻制備的UP復(fù)合材料與未改性黃麻纖維制備的UP復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比，研究材料的彎曲摸量、機(jī)械減震性能與溫度之間的關(guān)系。此外，通過蠕變實(shí)驗(yàn)研究承載能力與時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明采用未改性的固化樹脂的損耗模量峰值對(duì)應(yīng)的溫度與純材脂相比有所下降，而采用改性的黃麻纖維制備的UP復(fù)合材料則增加；從SEM分析，改性的黃麻制備的UP復(fù)合材料在斷裂纖維的末梢，樹脂能很好地保留，而采用未改性的則顯示在基體中有未覆蓋樹脂的纖維和孔洞，這表明利用氰乙基化作用能較好地提高纖維與共體的結(jié)合力。
4、結(jié)語
在玻璃纖維增強(qiáng)的不飽和聚酯復(fù)合材料中，除了以上的主要因素外，引發(fā)劑、促進(jìn)劑、添加劑的種類及含量、鋪層方法、工藝條件等均會(huì)影響 U P與纖維的界面結(jié)合力。如使用低揮發(fā)性的苯乙烯的樹脂時(shí)復(fù)合材料脫層問題更顯著，大大降低了其力學(xué)性能。此外，纖維增強(qiáng)UP性能還受其它許多因素的影響，如氣候性、酸、堿等的影響。隨著纖維增強(qiáng)UP技術(shù)的發(fā)展及考慮生態(tài)環(huán)境等綜合因素，采用天然植物纖維增強(qiáng)UP。仍將是今后的研究重點(diǎn)，而纖維與UP基體的界面改性也是研究的熱點(diǎn)
