复合体系典型界面反应ppt课件

1、5 5 复合体系的典型界面反响复合体系的典型界面反响知识要点：知识要点：1 1、重点掌握硅烷偶联剂与玻璃纤维的作、重点掌握硅烷偶联剂与玻璃纤维的作用过程；用过程；2 2、了解碳纤维聚合物体系，填充橡胶、了解碳纤维聚合物体系，填充橡胶体系；体系；3 3、掌握无机无机复合体系的界面反响；、掌握无机无机复合体系的界面反响；4 4、了解无机金属、金属金属、有机、了解无机金属、金属金属、有机有机复合体系的界面反响。有机复合体系的界面反响。5 5 复合体系的典型界面反响复合体系的典型界面反响 基材间的粘结性直接与下述要素有关：基材间的粘结性直接与下述要素有关：(1)(1)固液的复合过程中，固体外表与液体的

2、良好浸固液的复合过程中，固体外表与液体的良好浸润是得以粘结的根本条件；润是得以粘结的根本条件；(2)(2)不同相间的分子或原子彼此间相互接近时的形状，不同相间的分子或原子彼此间相互接近时的形状，构成化学结合时相互作用的强弱；构成化学结合时相互作用的强弱；(3)(3)化学结合的方式化学结合的方式 主价键结合主价键结合 次价键结合次价键结合 共价键、离子键、共价键、离子键、金属键等金属键等分子的电荷、极化、偶分子的电荷、极化、偶极之间的静电作用和诱极之间的静电作用和诱导、分子间的分散等导、分子间的分散等5.1 5.1 无机无机- -有机复合体系的界面反响有机复合体系的界面反响 在无机在无机- -有

3、机复合体系中，普通是无机纤维或粉体填料有机复合体系中，普通是无机纤维或粉体填料加强聚合物基体。它们的代表物有玻璃纤维及碳纤维加强加强聚合物基体。它们的代表物有玻璃纤维及碳纤维加强聚合物，粉体填充或纤维加强橡胶等。聚合物，粉体填充或纤维加强橡胶等。5.1.1 5.1.1 玻璃纤维玻璃纤维- -聚合物复合体系聚合物复合体系 对玻璃纤维外表进展化学处置的目的：对玻璃纤维外表进展化学处置的目的： 外表处置剂的分子构造：外表处置剂的分子构造：玻璃纤维外表基团：玻璃纤维外表基团：使之构成新的使之构成新的外表，并使新外表，并使新生外表上的活生外表上的活性基团与聚合性基团与聚合物基体发生界物基体发生界面反响。

4、面反响。普通都带有能与硅普通都带有能与硅羟基起化学反响的羟基起化学反响的活性羟基。活性羟基。硅氧硅基团硅氧硅基团SiOSi硅羟基硅羟基 SiOH以硅烷偶联剂为例来阐明这种反响的过程：以硅烷偶联剂为例来阐明这种反响的过程：(1)(1)有机硅烷水解，生成硅醇：有机硅烷水解，生成硅醇：(2)(2)玻璃纤维外表吸水，生成羟基：玻璃纤维外表吸水，生成羟基： OH(3)(3)硅醇与吸水的玻璃纤维外表反响，又分三步：硅醇与吸水的玻璃纤维外表反响，又分三步：第一步：硅醇与玻璃纤维外表反响生成氢键：第一步：硅醇与玻璃纤维外表反响生成氢键：第二步：低温枯燥第二步：低温枯燥( (水分蒸发水分蒸发) )，硅醇进展醚化

5、反响：，硅醇进展醚化反响：第三步：高温枯燥第三步：高温枯燥( (水分蒸发水分蒸发) )，硅醇与吸水玻璃纤维间进展，硅醇与吸水玻璃纤维间进展醚化反响：醚化反响： 至此，有机硅烷处置剂与玻璃纤维外表结合起来了，至此，有机硅烷处置剂与玻璃纤维外表结合起来了，相当于新生的活性外表。相当于新生的活性外表。 有机硅烷中的有机硅烷中的R R基团：双键、环氧基、胺基、长链烷基团：双键、环氧基、胺基、长链烷基等。基等。 R R基团假设为双键，可参与不饱和聚酯树脂的交联反基团假设为双键，可参与不饱和聚酯树脂的交联反响，在界面构成结实的化学键结合。响，在界面构成结实的化学键结合。 R R基团假设为环氧基、胺基，可参

6、与环氧树脂的固化基团假设为环氧基、胺基，可参与环氧树脂的固化反响，构成化学键结合的界面层。反响，构成化学键结合的界面层。 R R基团还可以是长链烷基，主要针对热塑性树脂，基团还可以是长链烷基，主要针对热塑性树脂，那么，以实现与基体分子的插入与缠结。那么，以实现与基体分子的插入与缠结。 总之，这些界面反响都加强了界面粘结，提高了复总之，这些界面反响都加强了界面粘结，提高了复合资料的性能。合资料的性能。 5.1.2 5.1.2 碳纤维碳纤维- -聚合物复合体系聚合物复合体系 以环氧树脂为例来阐明它们之间的界面反响。以环氧树脂为例来阐明它们之间的界面反响。 普通常用极性外表官能团来解释碳纤维的外表特

7、性。氧普通常用极性外表官能团来解释碳纤维的外表特性。氧原子是碳纤维外表构造的主要成分之一，它具有不同的结合原子是碳纤维外表构造的主要成分之一，它具有不同的结合方式。碳纤维经氧化处置后，氧含量显著添加，其氧化过程方式。碳纤维经氧化处置后，氧含量显著添加，其氧化过程如下：如下：碳纤维的外表官能团能够以以下方式存在：碳纤维的外表官能团能够以以下方式存在： 胺固化的环氧树脂中的胺基能够与纤维外表的羧基构成胺固化的环氧树脂中的胺基能够与纤维外表的羧基构成氢键，环氧树脂的环氧基也能与羟基和羧基构成氢键，在过量氢键，环氧树脂的环氧基也能与羟基和羧基构成氢键，在过量单体尤其是在较高温度时，这些氢键就转变成共价

8、键：单体尤其是在较高温度时，这些氢键就转变成共价键： 外表处置后的碳纤维外表上构成各种不同类型的化外表处置后的碳纤维外表上构成各种不同类型的化学络合物，除了含氧官能团与树脂构成氢键缔合或化学学络合物，除了含氧官能团与树脂构成氢键缔合或化学键外，其他类型的基团也能够使各种聚合物在凝胶化时键外，其他类型的基团也能够使各种聚合物在凝胶化时改性，在界面构成不同力学和流变性能的层区。改性，在界面构成不同力学和流变性能的层区。 因此，经过各种途径来改动外表官能团的种类和数因此，经过各种途径来改动外表官能团的种类和数量，就有能够使纤维树脂构成更好的粘结而提高其复合量，就有能够使纤维树脂构成更好的粘结而提高其

9、复合资料的综合性能。资料的综合性能。 5.1.3 5.1.3 填充橡胶体系填充橡胶体系 典型的炭黑外表构造如下：典型的炭黑外表构造如下： 炭黑外表含有的官能团能在加工过程中与橡胶分子发生炭黑外表含有的官能团能在加工过程中与橡胶分子发生化学反响，微粒炭黑外表构成接枝有以下几种方式：化学反响，微粒炭黑外表构成接枝有以下几种方式：(1)(1)对简单烯烃的化学吸附，硫存在时，吸附作用加强；对简单烯烃的化学吸附，硫存在时，吸附作用加强；(2)(2)在猛烈的混料过程中，剪切作用产生高聚物自在基，曾在猛烈的混料过程中，剪切作用产生高聚物自在基，曾经证明这种自在基可接枝到炭黑上去；经证明这种自在基可接枝到炭黑

10、上去；(3)(3)组成炭黑层面的大芳环边缘的氢和橡胶之间进展氢原子组成炭黑层面的大芳环边缘的氢和橡胶之间进展氢原子交换反响。交换反响。 经过以上界面反响，往往使炭黑的加强效果得以提高。经过以上界面反响，往往使炭黑的加强效果得以提高。 5 52 2 无机无机- -无机复合体系的界面反响无机复合体系的界面反响 重点以水泥基复合资料为例引见它们的界面反响以重点以水泥基复合资料为例引见它们的界面反响以及对复合资料性能的影响。及对复合资料性能的影响。 5.2.1 5.2.1 纤维增韧陶瓷纤维增韧陶瓷 研讨阐明，碳纤维和氮化硅基体之间所构成的界面研讨阐明，碳纤维和氮化硅基体之间所构成的界面是硅和碳相互反响

11、生成的。利用无压烧结工艺时，烧结是硅和碳相互反响生成的。利用无压烧结工艺时，烧结温度为温度为17001700以上，硅和碳之间的反响更为严重，这种以上，硅和碳之间的反响更为严重，这种反响可用以下反响式表示：反响可用以下反响式表示： Si3N4 + 3C 3SiC + 2N2 Si3N4 + 3C 3SiC + 2N2 SiO2 + C SiO + CO SiO2 + C SiO + CO 5.2.2 5.2.2 水泥基复合资料水泥基复合资料5.2.2.1 5.2.2.1 混凝土混凝土 水泥基复合资料中最普遍的有混疑土和纤维加强水泥。水泥基复合资料中最普遍的有混疑土和纤维加强水泥。 在混凝土中，发

12、生界面反响的能够性：集料具有一定活性在混凝土中，发生界面反响的能够性：集料具有一定活性与存在的水泥浆体。与存在的水泥浆体。 eg eg：石灰石集料外表发生的变化。：石灰石集料外表发生的变化。 曾经发现，石灰石曾经发现，石灰石- -水泥浆体界面能发生化学反响并有较水泥浆体界面能发生化学反响并有较强的键构成。强的键构成。 1 1、首先是石灰石和熟料中铝酸盐水化产物反响构成、首先是石灰石和熟料中铝酸盐水化产物反响构成4Ca0A120312H204Ca0A120312H20，它们随龄期增长而数量增多，但随水，它们随龄期增长而数量增多，但随水灰比降低而降低。有能够进一步转化为碳铝酸钙晶体。灰比降低而降低

13、。有能够进一步转化为碳铝酸钙晶体。 显然，由于石灰石集料外表被铝腐蚀，故在惰性集料外显然，由于石灰石集料外表被铝腐蚀，故在惰性集料外表构成的双层膜已不再存在，因此在石灰石浆体界面区，表构成的双层膜已不再存在，因此在石灰石浆体界面区，只能找到一些次生的只能找到一些次生的CHCH晶体。晶体。 2 2、石灰石集料除了同铝酸盐发生化学反响以外，还、石灰石集料除了同铝酸盐发生化学反响以外，还能进一步同水化硅酸盐反响，构成碱式碳酸钙新相，分子能进一步同水化硅酸盐反响，构成碱式碳酸钙新相，分子式为式为3CaC03Ca(0H)2xH203CaC03Ca(0H)2xH20。 显然，这一新相的构成，不仅能改善石灰

14、石浆体界显然，这一新相的构成，不仅能改善石灰石浆体界面区的构造，还能促使面区的构造，还能促使C3SC3S相加速水化，对整个体系的力相加速水化，对整个体系的力学性能提高是非常有利的。学性能提高是非常有利的。5.2.2.2 5.2.2.2 玻璃纤维加强水泥玻璃纤维加强水泥 采用纤维的目的：采用纤维的目的： 玻璃纤维是水泥基复合资料常用的加强资料。玻璃纤维是水泥基复合资料常用的加强资料。 中碱与无碱玻璃纤维在普通硅酸盐水泥水化物中遭到了中碱与无碱玻璃纤维在普通硅酸盐水泥水化物中遭到了两种类型的侵蚀：两种类型的侵蚀： 一种是化学侵蚀，即水泥水化生成的一种是化学侵蚀，即水泥水化生成的Ca(OH)2Ca(

15、OH)2与玻璃纤与玻璃纤维的硅氧骨架之间发生化学反响生成水化硅酸钙，当水泥液维的硅氧骨架之间发生化学反响生成水化硅酸钙，当水泥液相中有相中有NaOHNaOH、KOHKOH存在时那么加速了这一反响；存在时那么加速了这一反响； 另一种是应力侵蚀，由于玻璃纤维外表存在着缺陷，水另一种是应力侵蚀，由于玻璃纤维外表存在着缺陷，水泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部呵斥应力泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部呵斥应力集中并使缺陷扩展。集中并使缺陷扩展。 从而破坏了玻璃纤维与水泥基体之间的界面结合。从而破坏了玻璃纤维与水泥基体之间的界面结合。 为了抑制水泥硬化体抗拉强度低、为了抑制水泥硬化体

16、抗拉强度低、抗裂性差、脆性大等缺陷。抗裂性差、脆性大等缺陷。 为防止水泥水化物对玻璃纤维的侵蚀，可采取以下三种为防止水泥水化物对玻璃纤维的侵蚀，可采取以下三种主要措施：主要措施： (1) (1)改动玻纤的化学组分：改动玻纤的化学组分： eg eg：在玻纤中参与较多量的：在玻纤中参与较多量的ZrO2ZrO2成分可提高其抗碱性；成分可提高其抗碱性； (2) (2)对玻纤外表进展被覆处置，以隔绝水泥水化物对纤维对玻纤外表进展被覆处置，以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀。的侵蚀。 eg eg：可用锗、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对纤维进展：可用锗、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对纤维进展处置，也可用某些抗碱性好的

17、树脂如环氧、呋喃等对玻纤进处置，也可用某些抗碱性好的树脂如环氧、呋喃等对玻纤进展浸渍处置而后使之固化；展浸渍处置而后使之固化； (3) (3)运用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的运用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。侵蚀。 主要是采用水化产物中主要是采用水化产物中Ca(OH)2Ca(OH)2含量低的甚至无含量低的甚至无Ca(OH)2Ca(OH)2的水泥。的水泥。 eg eg：高铝水泥、硫铝酸盐水泥等。：高铝水泥、硫铝酸盐水泥等。 5.2.2.3 5.2.2.3 碳纤维加强混凝土碳纤维加强混凝土 碳纤维加强混凝土是一种高强度的混凝土。在碳纤碳纤维加强混凝土是一种高强度的混

18、凝土。在碳纤维外表未作任何处置时，碳纤维外表与水泥并无明显的维外表未作任何处置时，碳纤维外表与水泥并无明显的作用。作用。 研讨阐明，当碳纤维经过热研讨阐明，当碳纤维经过热NaOHNaOH溶液处置后，除了溶液处置后，除了外表有明显刻蚀外，同时产生了外表有明显刻蚀外，同时产生了 C CO O基团及基团及C00H(C00H(或或COONa)COONa)基团基团 。 在水泥水化过程中，经处置的碳纤维有富集在水泥水化过程中，经处置的碳纤维有富集Ca2+Ca2+的的作用，能够导致纤维外表的水泥早期水化，表现为碱处作用，能够导致纤维外表的水泥早期水化，表现为碱处置碳纤维水泥浆体的屈服应力及表观粘度增大。置碳

19、纤维水泥浆体的屈服应力及表观粘度增大。5.3 5.3 无机无机- -金属复合体系的界面反响金属复合体系的界面反响 复合资料的界面必需坚持良好的结合形状，且在运复合资料的界面必需坚持良好的结合形状，且在运用的高温条件下坚持长时间的化学稳定性，使之不致因用的高温条件下坚持长时间的化学稳定性，使之不致因发生化学反响而降低力学性能。发生化学反响而降低力学性能。 5.3.1 5.3.1 碳纤维碳纤维- -铝复合体系铝复合体系 纤维中的碳在纤维中的碳在400400以上与铝发生化学反响以上与铝发生化学反响 ，在，在500500以上其界面上生成很强的化合物以上其界面上生成很强的化合物A1C3A1C3，化学反响式，化学反响式为：为： 3C + 4Al Al4C3 3C + 4Al Al4C35.3.2 5.3.2 碳化硅碳化硅- -铝基复合体系铝基复合体系 碳化硅纤维具有极高的熔点，在空气和金属中它的碳化硅纤维具有极高的熔点，在空气和金属中它的化学惰性也较强。碳化硅纤维主要由非晶态化学惰性也较强。碳化硅纤维主要由非晶态SiCSiC构成，构成，外表缺陷很小，并且非常光滑。这种纤维在真空中于外表缺陷很小，并且非常光滑。这种纤维在真空中于14001400时强度开场下降。时强度开场下降。 5.3.3 5.3.3 氧化铝纤维氧化铝纤维- -铝基复合体系铝基复合体系 5.3.4 5