水性杂化涂层对玻璃纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

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玻璃纤维(GF)增强树脂基复合材料(GFRP)因其重量轻、耐腐蚀、电绝缘性好、传热慢、比强度高等优异性能而被广泛应用。但是,玻璃纤维与树脂基体之间不易润湿,使得其复合材料界面结合较弱,为此,常利用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理,使树脂与玻璃纤维之间形成牢固的界面结合。但由于玻璃纤维与树脂基体之间的线性膨胀系数相差很大,当复合材料在高温下使用时,容易产生界面破坏。为了使玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在高温下,仍有良好的界面结合性能。本文设计合成了热线性膨胀系数介于玻璃纤维与环氧树脂之间的水性杂化上浆剂,利用合成的杂化上浆剂通过对GF表面进行处理,改善玻璃纤维对基体的润湿性能,并以环氧树脂(EP)为基体,制备GF/EP复合材料。并对复合材料在常温和150°C高温下的界面破坏行为研究,探索玻璃纤维增强树脂基复合材料在实际应用中界面破坏规律,为提高玻璃纤维增强复合材料的界面性能和耐热性能提供基础研究。首先,根据玻璃纤维和环氧树脂基体的特性进行研究及配方优化,以原位聚合方式,设计合成水性环氧树脂(WEP/SiO2)杂化上浆剂。并利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、热机械分析仪(TMA)、热重分析仪(TGA)和万能材料试验机对杂化上浆剂的结构形态、热稳定性、热线性膨胀系数及力学性能进行测试分析。结果表明,WEP/SiO2杂化上浆剂体系中无机粒子尺寸较均一,分散均匀程度良好,无机粒子与有机基体间具有良好的界面粘合性能;当二氧化硅含量为10%时,杂化上浆剂的力学性能和热稳定性较优,在150°C下,其热膨胀系数为82.43×10-6/°C,介于玻璃纤维(2.62×10-6/°C)与纯环氧树脂(147.76×10-6/°C)之间。其次,选用上述配方的水性杂化上浆剂对玻璃纤维表面进行改性,采用热场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、偏光显微镜等仪器对经过水性杂化上浆剂处理后的GF表面形貌结构、润湿性能及力学性能进行了表征分析。结果表明,经水性杂化上浆剂处理后,纤维的力学性能提升有限,但润湿性能得到显著提高。最后,以水性杂化上浆剂处理后的玻璃纤维为增强材料,以环氧树脂为基体,制备成单纤维复合材料。并采用单纤维复合材料断裂试验和微观形貌观测方法,在室温和150°C下分别对复合材料的界面剪切强度和断面形貌进行分析。结果表明,利用本文合成设计的杂化上浆剂改性后,在纤维表面形成的“膜-粒”结构杂化涂层有助于提高纤维与基体的润湿性能和机械锁合及改善无机玻璃纤维与有机环氧树脂基体的热膨胀系数不匹配性。最终,在室温和150°C下,玻璃纤增强环氧树脂基复合材料的界面剪切强度分别提高52.6%和68.9%,表明利用设计合成的水性杂化上浆剂可以有效改善玻璃纤维增强树脂基复合材料的界面性能和耐热性能。
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