偶联剂处理对玻璃纤维尼龙复合材料力学性能的影响(完整版)实用资料

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童舍材料学报偶联剂处理对玻璃纤维尼龙复合材料力学性能的影响（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）妣。旎口如疵,∞‰伽^。di如e鬟御￡c一函第23卷第3期6月2006年V0123No.3June2006文章编号:1000—3851(200603—0031—06偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复合材料力学性能的影响张士华1,陈光“,崔崇1,(1.南京理工大学材料科学与工程系,南京210094米成2,顾金萍1,于静静12.安徽铜跬恒发电力实业总公司,铜陵244000摘要:采用KH一550和KH一570两种不同的偶联剂处理玻璃纤维,得到的玻璃纤维增强铸型(Mc尼龙复合材料(GFRMCN的力学性能差别很大。经过KH一570处理GFRMCN力学性能降低,而经过KH一550处理能有效提高其力学性能}KH一550质量分数与处理的玻璃纤维质量分数之间符合定量关系式,含量为0.2蹦时,GFRMCN的弯曲强度提高了35%,弯曲模量提高了72%,拉伸强度提高了46%,弹性模量提高了88%,冲击强度提高了41“。KH一550偶联剂在玻璃纤维与尼龙基体之同形成良好界面结合,达到增强效果;而未经处理的玻璃纤维断裂时从基体中拔出,玻纤与尼龙界面相当于缺陷,使MC尼龙性能下降。关键词:硅烷偶联剂}玻璃纤维;表面处理;铸型尼龙中图分类号:TQ327.1;TB332文献标识码:AEffectofsiliconcouplingagenttreatmentofglassfiberonmechanicalpropertiesofGFRMCNZHANGShihual,CHENGuang…,CUICon91,MIChen92,GUJinpin91,YUlingjin91(1.DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210094,China;2.ElectricPowerIndustryParentCompany,Tongling244000,ChinaAbstract:Differentsiliconcouplingagents(SeAcausealargedifferenceinmechanicalpropertiesoftheglassfiberreinforcedMCnylon(GFRMCN.TheKH570SCAmakesthemdecreasewhiletheKH550makesthemimproveThereiSarationalformulabetweenthel'nassfractionsofKH一550andglassfiber.WhenthemassfractionofKH一550is0,2%,thebendstrength,bendmodulus,tensilestrength,tensilestressandimpactstrengthofGFRMCNareincreasedby35%,72%,46%,88%and41蹦,comparedwiththoseofMCnylon.GlassfibersafterSIlTfaeetreatmentwitbKH一550SCAincreasethepropertiesofGFRMCNbecauseofagoodinterhcebetweenGFandnylonHowever.mostglassfibersaredrawnoutfromnylonbasementiftheyarenottreatedwithSCA.TheinterfacesofGF/nylonbecomeratalweaknessandreducethepropertiesofGFRMCN,Keywords:siliconcouplingagent;glassfiber;surfacetreatment;monomercastingnylon铸型尼龙又称单体浇铸尼龙,简称MC尼龙,是优良的工程塑料之一。除具有尼龙的共性外,还具有聚合温度低、工艺简单、结晶度高、分子量大且分布均匀、密度小、力学性能好、减震耐磨、自润滑、耐腐蚀、使用温度范围宽等优点。但普通MC尼龙存在低温韧性较差、尺寸稳定性差等缺点。为此,国内外在MC尼龙增强、增韧、减摩、抗静电方面的研究比较活跃口~},包括采用玻璃纤维增强。复合材料的性能在很大程度上取决于增强体和基体之间界面结合状态“。5]。用偶联剂进行表面处理就是通过化学或物理的作用将两种性质差异很大的不易结合的材料牢固地结合起来-“。用偶联剂处理玻璃纤维表面既可保护纤维不受磨损,也可为玻璃纤维与聚合物基体间的粘结提供良好的界面”],从而达到提高复合材料性能的目的。迄今为止,玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的研究已较多[8…】,但就玻璃纤维表面处理对MC尼龙复合材料力学性能影响的研究尚不够系统。本文旨在考察偶联剂处理玻璃纤维表面对MC尼龙复合材料力学性能影响规律的基础上,探讨玻纤偶联剂处理对玻璃纤维增强MC尼龙复合材料(GFRMCN力学性能的收稿日期:2005—07-85;收修改稿日期:2005—10—2l基金项目:国家“863”计划重大专项资助课题(2002AA22414】通讯作者:陈光,教授,博导,主要从事金属与先进复合材科方面的研究复舍材料学报影响和机理。1实验方法1.1主要原料和设备实验用己内酰胺,中国石化股份公司巴陵分公司生产;氢氧化钠,上海化学试剂生产;聚异氰酸酯胶,大连市金州区粘胶剂厂生产}无碱玻璃纤维,】00目.南京玻璃纤维研究设计院生产;硅烷偶联剂KH550、KH一570,南京市东凯精细化工厂生产。旋片式真空泵,中国临海市精工真空设备厂生产,型号为2XZ-4;电热恒温鼓风干燥箱,上海恒三仪器生产,型号为101l;电子万能试验机,长春试验机研究所生产,型号为CSS一441000;扫描电子显微镜,日本FEI公司生产,型号为Quanta200。l,2实验过程将已内酰胺单体融化后加热抽真空脱水,保持温度为130~140℃左右,一段时间后加入定量的NaOH和预热的玻璃纤维,搅拌后继续加热抽真空,温度为130~140。C,沸腾结束后停止抽真空加热,加入定量的助催化剂聚异氰酸酯胶,浇铸聚合,固化后随炉冷却,脱模,即制得玻璃纤维增强Mc尼龙复合材料。在制备复合材料的过程中,玻璃纤维需预先进行表面处理。将一定量偶联荆溶于无水乙醇中形成溶液,再加入30%质量分数的玻璃纤维,混合均匀,30min后于120℃烘干,经研磨,100目过筛,以备用。制备的试样拉伸强度按GB144783测试;弯曲强度按GB1449—83测试。2结果与讨论2.1不同偶联剂对GFRMCN力学性能的影响表1列出了用纯尼龙、未处理玻纤以及KH550和KH570处理玻纤复合的GFRMCN力学性能。所用的玻璃纤维含量均为复合材料质量分数的30%.处理玻纤时偶联剂质量分数均为玻纤质量分数的0.2%,并采用无水乙醇浸润处理。从表1可以看出,不同偶联剂处理玻璃纤维,对GFRMCN力学性能的影响很大。玻璃纤维未经偶联剂处理,得到的GFRMCN试样弯曲强度、拉伸强度和冲击强度均比纯尼龙试样有所降低。用KH-550处理的玻璃纤维改性的Mc尼龙试样,弯曲强度较纯MC尼龙提高了35%,弯曲模量提高了72%,拉伸强度提高了46%,弹性模量提高了88%,冲击强度提高了41%,硬度提高了9%,各项性能均比纯MC尼龙有很大的提高;然而,经KH一570处理的玻璃纤维改性的MC尼龙试样,其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均比纯尼龙试样有不同程度的降低。两种偶联剂处理导致GFRMCN力学性能的差异可用偶联剂对复合材料中增强体与基体的作用机理来阐明LII]。本文中所用的偶联剂KH550全称为7氨丙基三乙氧基硅烷,结构式为H2N(CH:Si(OC2H。。;KH一570全称为7一甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,结构式为CH30||H2C—c—c—O(CH23Si(OCH3KH一550和KH一570均属于有机硅烷偶联剂,其分子式一般可用R。SiX一(”<4自然数通式表示。两者的x基团(一Oc。H;和一OcH:均为硅氧基,它们可通过水解作用与玻璃纤维发生缩合反应;但是两者的R基团不同,KH一570的有机官能OCH3ll团R为甲基丙烯酰氧基一O—C—C—CH2,它无法与尼龙形成有效的化学键,因此不能在玻璃纤表1不同偶联剂处理的复合材料力学性能"fable1TheeffectsofdifferentSCAtreatingglass-fiberonmechanicalpropertiesofGFRMCN张士华,等;偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复台材料力学性能的影响维和尼龙基体间形成有效的界面结合;而KH550的有机官能团R为氨基一NHz,MC尼龙在聚合过程中由于助催化剂的活化,形成具有大量酰亚胺结构的高分子长链,这个氨基一NH。可以进攻酰亚胺结构中的羰基,并与之连接起来,其反应如下…]:NH2(cH2co—M一￡+NH2(CH23si~\/CH2HO||—一NH2(CH2co—M￡一NH(cH23si一\/cH2这样KH550通过化学键将尼龙基体与玻纤结合起来,完成两种化学性质不同材料问的偶合,从而提高了界面强度。综上所述,在玻璃纤维增强MC尼龙复合材料中,采用偶联剂KH550处理的增强效果比用KH一570处理更好。2.2KH-550用量对GFRMCN力学性能的影响图l为偶联剂用量对GFRMCN力学性能的影F争呈琶豢莒旨KH-550masst?action/%KH一550massfraction/%响的实验结果,同时将纯尼龙的力学性能用横线表示出,直观反映玻纤起到增强尼龙基体作用时的KH一550用量范围。从图1中可以看出,虽然采用相同的KH一550偶联刺处理玻璃纤维。但是偶联剂用量的不同对GFRMCN的增强效果也有所不同。当偶联剂用量为0%,即玻璃纤维表面不经过偶联剂处理,得到的GFRMCN与纯MC尼龙相比,强度指标明显有所降低;随着偶联剂用量逐渐增加,GFRMCN力学性能随之迅速改善,但是此时玻璃纤维在基体中仍没有起到增强效果,GFRMCN力学性能仍然低于纯尼龙材料;只有当偶联剂用量超过一定数值(约0.1%以后,玻璃纤维才会对尼龙基体起到明显的增强效果{当偶联剂质量分数约为玻璃纤维的0.2%时,GFRMCN复合材料力学性能达到最优,与纯MC尼龙相比,弯曲强度达到163MPa,提高了35%,弯曲模量达到5.893GPa,提高了72%;拉伸强度达到107MPa,提高了46%,弹性模量达KH-550massflaction/%KH_550mals￥fraction/%图1不同用量fI勺KH550处理玻纤对GEMCN力学性能的影响Fig.1Thee{fectsofcoDtent￥ofSCAKH550treatingglass一[iberonmechanicalpropertiesofGFRMCN复舍材辩亏握到4.845GPa,提高了88%;无缺口冲击强度达到72kJ/m2,提高41%;硬度达到82,提高9%;此后,随着偶联剂用量的继续增加,GFRMCN力学性能在不同程度上有所下降,最终甚至低于纯尼龙。由此可见,经不同用量偶联剂处理的玻璃纤维在MC尼龙中并非都能表现出增强GFRMCN的效果,只有在偶联剂用量适中时,才能对MC尼龙复合材料有增强作用。有机硅烷偶联剂的用量一般为处理基材(增强材料玻璃纤维质量的0.1蹦~3.0%。硅烷偶联剂(SCA在玻纤表面形成理想的单分子覆盖情况时所需的量(w可用下式计算““:Ⅳ一坠皇(13’式中:w为有机硅烷偶联剂(SCA的用量(g;W,为玻璃纤维用量(g;S。为玻璃纤维的比表面积(m2/g;S:为SCA的最小包覆面积(m2/g。有机硅烷偶联剂最小包覆面积是指从溶液中沉淀出lg有机硅烷偶联剂所覆盖玻璃纤维的表面积,不同的有机硅烷偶联剂的最小包覆面积不同。而且,偶联剂在处理基体表面上的涂覆并非只是单分子层,而是约有10个单分子层厚度连续而均匀的薄膜,且增强材料单丝问的空隙往往比表面上含有更多的偶联剂。本实验中采用KH一550硅烷偶联剂处理100目无碱E玻纤,查得KH一550的最小包覆面积大约为354m2/g,无碱E玻璃纤维的比表面积约为0.1354矗/g[1…,由公式(1得出KH一550质量约为增强材料(玻璃纤维质量的0,02%,则10个单分子层包覆玻纤所需KH一550用量恰好是玻纤质量的0.2%左右。因此可以认为偶联剂KH一550质量与处理的玻璃纤维质量之间符合关系式:w:坠姿!!璺(2j’2.3玻璃纤维/尼龙复台材料断口形貌观察与分析未处理的玻璃纤维作为增强材料时,不但没有使性能得到提高,反而降低了MC尼龙复合材料的性能;而用处理得当的玻璃纤维来增强,复合材料力学性能得到了大幅度的提高,说明玻璃纤维的表面处理对复合材料性能起着至关重要的作用。通过观察拉伸断口SEM照片进一步分析表面处理对玻纤与基体之问的界面结合的影响及其与复合材料性能的关系(图2、图3。图2纯MC尼龙拉伸蹶面形貌Fig.2ThemicrostruetureofMCnylonspecimentensilesurface图2是纯MC尼龙拉伸断口的SEM照片,表现为典型的均质材料韧性断裂。图3(a、3(b是未经处理的玻璃纤维增强MC尼龙复合材料拉伸断口的扫描电镜照片。可以看到,玻璃纤维表面十分光滑,未与尼龙基体产生任何结合,而是简单堆砌在尼龙基体中,断裂时尼龙基体沿界面剥离,而玻璃纤维断裂的位置并不在基体主裂纹平面上,而是出现在基体中,所以断面有大量露头的拔出纤维以及玻璃纤维拔出后留下的孔洞。可见,未经表面处理的玻璃纤维不仅不能与尼龙基体形成良好的界面结合,反而在玻璃纤维与基体的界面处留有空隙,使基体的承载能力整体降低。当试样受到外应力作用时,由于基体与纤维在模量上的差距,顺着纤维轴向的拉应力使基体与纤维的纵向变形不同,在纤维两端的界面上产生相对较大的剪应力,从而使玻璃纤维一端或两端脱粘,继而出现滑动,最终玻璃纤维被直接从尼龙基体中拔出,而其增强作用完全没有得到发挥;另外,玻纤与尼龙界面成为复合材料中最薄弱环节,加入的玻纤在尼龙基体上形成大量的界面,这些界面也就相当于材料中的缺陷,从而使复合材料的整体强度降低,甚至低于纯尼龙。图3(c、3(d是用量0.2%KH一550偶联剂处理玻纤增强MC尼龙复合材料的拉伸断面形貌。从图中可以看到,通过KH一550偶联剂处理后,玻璃纤维与尼龙基体之阃界面结合良好,不再是复合材料的薄弱环节,拉伸断口没有玻璃纤维拔出现象,玻璃纤维与尼龙基体的断裂面同层,基体将所承受的载荷通过界面传递给玻璃纤维,发挥出玻璃纤维的增强作用。一般认为,在玻纤复合材料中,张士华,等;偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复合材料力学性能的影响图3GFRMCN拉伸断面形貌Fig.3TheSEMphotosofGFRMCN玻璃纤维是主要的承力组分““,当受到载荷时,断裂通过界面作用,将基体所承受的载荷传递给纤维,由于玻纤轴向传递,应力被迅速扩散,阻止裂纹的增长,在载荷累积达到纤维强度以上时,引起纤维的断裂,复合材料亦被破坏,即发挥了纤维的增强作用;同时这种传递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,从而增强了材料承受外力作用的能力.在宏观上显示出材料的弯曲强度、拉伸强度等力学性能大幅度提高。3结论(1表面处理对玻璃纤维增强MC尼龙复合材料起着至关重要的作用。不同偶联剂表面处理对GFRMCN力学性能的影响很大。KH一550对于玻纤增强MC尼龙复合材料具有良好的增强效果,而KH一570并没有起到增强效果。(2偶联剂用量不同对GFRMCN力学性能产生很大影响。KH一550质量分数与被处理的玻璃纤维质量分数之间符合定量关系式。用0.2%质量分数KH550偶联剂处理后,玻璃纤维与尼龙基体结合良好,能有效发挥增强作用,与纯MC尼龙相比,弯曲强度提高35%,弯曲模量提高72%;拉伸强度提高46%,弹性模量提高88%;无缺口冲击强度提高41%。参考文献:E1]任紫菊,宁荣昌碳纤维增强MC尼龙的研究口].复台材科学报,2000,i7(2;16一19.RenZiu,NingRongehan臣InvestigationofMCnylonrein—forcedwithcarbonF/bar口]fAf∞MateriaeCompositaes2≈pcd,2000,17(2:16—19.E23孙向东,孙旭东,张慧渡.MC尼龙改性研究的新进展[J]工程蝎料应用.2003,31(2:5963。SunXiangdong,SunXudong,ZhangHuibo.NewadvanceinthemodificationresearchofMCnylonEJ].EngineeringPlasticsApplication,2003.31(2:59—63.[33罗毅,肖勤莎.改性尼龙6工程塑料的现状和发展趋势[刀中国塑料,1998,5(12;9—15.LuoYi,XiaoQinsha.Productionsituationanddevelopmenttrendofnylon6engineeringplastic[J]inaPlastic,1998,5(12,9—15.———————————————————一．。。．复舍材料学报啪畅佩钊．复合材料及其应用技术［Ｍ］．重庆ｔ重庆大学出版社．１９９８ｉ］４７—１５０．ｎｙｌｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｇａｉｎｓｔｓｔｅｅｌ［Ｊ］ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉ—１６９０．ｅｎｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，１９９４，１３：１６８４哪嘲彭治汉，旆祖培．塑辩工业手册［Ｍ］北京：化学工业出版社，２００１；３８９—３９５．厂１０１ＦｅｒｒｅｌｒａＪＡＭ，ＣｏｓｔａＪＤＭ，ＲｉｃｈａｒｄｓｏｎｔｅｓｔＭａＯⅥＥｆｆｅｃｔｏｆｎｏｌｃｈａｎｄｆｏｒｃｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｆａｆｉｇｕｅｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ—ｒｅｉｎ－ａｎｄ刘相果，彭晓东，刘江，等．偶联剂对短玻纤增强ＰＡ６６微ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅ１２４３—１２４８．观结构及性能影响研究口］．工程翅科应用，２００３，３１（７）；１——４Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，５７（０）ｉ［１１］周祖福复合材料学［ｗ１］．武汉；武汉工业大学出版社，１９９７：２５３２６４．ＬｉｕＸｉａｔｌｇｇｕｏ，ＰｅｎｇｏｆｔｈｅＸｉａｏｄｏｎｇ，ＬｉｕＪｉａｎｇ，ｅｔａｇｅｎｔｏｎａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａａｄ［Ｊ２］崔国平，盖雨聆，李国棘，等．玻璃纤维增强ＭＣ尼龙复合材料的力学性能［Ｊ］．北京机械工业学院学报ｔ１９９９，１４（１）：１１—１５．ＣｕｉＧｕｏｐｉｎｇ，Ｇａｉｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｈｏｒｔｇｌａ｝＿ｓｆｉｂｅｒｎｙｌｏｎ６６４．［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｌａｓｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００３，３１（７）：１阴Ｋａ州ａＮ。ＭｉｃｈｉｈｉｒｏｔａｎｄＴ，ＡｔｓｕｓｈｉｏｆＴ，ｅｔａ１．ＡｇｇｒｅｇａｔＪｏｎｉｎｓｈｏｒｔＹｕｌｉａｇ，ＬｉｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＧｕｏｌｕ，ｅｔａｌ．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭＣｐｒｏｐｅｒ。ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｌｅｃｕｉａｒｍｏｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｇｌａｓｓ’ｆｉｂｅｒｔｉｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｎｙｌｏｎ口］．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｎｙｌｏｎ６６４０５５——４０６２．ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ，２００２，４３（１４）：ｏｆＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，１９９９，１４（１）：１１—１５．［１３３郑德，车杰．塑料助荆与配方设计技术［Ｍ］＿北京：化学工业出版杜，２００２：１６９Ｄ４］高志秋，陶ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ吖１７５．嘲赵若飞，周晓东，戴于策．玻璃纤维增强聚丙烯界面处理研究进展口］．玻璃钢／复合材料，２０００（３）：４９—５３．ＺｈａｏＲｕｏｆｅｉ．ＺｈａｏＸｌａｃｄｏｎｇ，Ｄａｉｉｎｔｅｒｆａｃｅ’ｒ髓ｔⅡｍｎｔｉｎＧａｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈ炜，金文兰．长玻纤增强尼龙５复合材料研究５．ｏｎ［Ｊ］．工程塑料应用，２００１ｔ２９（７）：ｚＧａｏＺｈｌｑｌｕ，ＴａｏｇＬａ祷ｆｉｂｅｒｒｅｂａＣｏｒｅｅｄｐ。ｌ卯ｒｏ甜Ｉｅｎｅ￡ｊ］．Ｗｅｉ，ＩｈＷｅｎｌａｕ．ＳｔｕｄｙｔｈｅｌｏｎｇｇｌａｓｓＰｌａｓｔｉｃｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎ南ｎｅｄＰｉｅｔｉｅｓ／Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．２０００（３）：４９—５３．ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｎｙｌｏｎ６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］＿Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ５．啪Ｉ．ｉｎＹｅＳｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｉｏｆａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ／Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．２００１。２９（７）：２万方数据第25卷第8期高分子材料科学与工程Vol.25,No.82021年8月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGAug.2021聚苯硫醚/碳纳米管复合材料的导电和力学性能吴兰峰1,2,吴德峰1,2,张明1,2(1.扬州大学化学化工学院;2.江苏省环境材料与环境工程重点实验室,江苏扬州225002摘要:采用熔融共混制备了聚苯硫醚/碳纳米管复合材料,考察了复合材料的形态、导电及力学性能。结果表明,碳纳米管均匀分散于聚苯硫醚基体中,二者的界面结合紧密;少量碳纳米管的加入即可显著增加复合材料的导电性,其逾渗阀值约为2phr~3phr;与聚苯硫醚相比,复合材料的拉伸及冲击强度全面提高,但由于碳纳米管的微观聚集与其应力传递作用间相互矛盾,因此过多的碳纳米管对材料力学性能贡献不大,这也得到了动态力学性能测试的进一步证实。关键词:聚苯硫醚;碳纳米管;复合材料;电性能;力学性能中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:100027555(20210820036204收稿日期:2021206219基金项目:江苏省青年科技创新人才启动项目(BK209作为一种高性能的新型工程塑料,聚苯硫醚(PPS因其优异的热稳定性、耐腐蚀性等特点而日益受到材料领域的重视。不过PPS冲击强度低,玻璃化转变温度不高,这限制了其应用领域的拓展。人们经常采用提高分子量、与聚合物共混以及填充改性等方法来进一步提高PPS的综合性能[1,2]。其中,填充改性由于实施简便而成为PPS改性最常用的方法。碳纳米管(CNTs是近年来出现的一种新型纳米材料,它是由单层或多层石墨片卷曲而成。其无缝纳米管状纤维结构决定了它具有极高的拉伸强度、良好的导电和导热性等。与其它改性聚合物的填充组分相比,CNTs可以在极低的填充量下赋予聚合物基体较好的增强改性效果[3,4]。因此,本文采用熔融复合制备了高性能的PPS/CNTs导电复合材料,并通过对材料导电和力学行为的研究,进一步探讨了CNTs复合体系的微观结构与宏观性能的关系。1实验部分1.1主要原料聚苯硫醚(PPS:四川德阳科技提供,熔点285℃;多壁碳纳米管(MWCNTs:由清华大学化工系提供,其团聚颗粒平均直径约300μm,比表面积200m3/g~300m3/g,外径约20nm~25nm。1.2聚苯硫醚/碳纳米管(PPS/CNTs复合材料的制备将不同质量份的CNTs与100质量份PPS基体混合,在290℃置于Polylab型Hakke转矩流变仪(ThermoElectron公司,美国中密炼8min,即得PPS/CNTs复合材料,转子转速50r/min。将上述出料用RR/TSMP2型射模式制样机(Ray2Ran,英国注射成型。注射机筒温310℃,模具温度100℃,注射压力11MPa。1.3测试与表征断,断面喷金后,采用HITACHI2S24800型场发射扫描电子显微镜(FE2SEM,日立公司,日本进行观测,加速电压30kV。合材料的体积电阻,每个组分取三个样,每个样取四个点,室温测量。电子拉力机(WDW25型,华龙测试仪器厂,中国上海室温下测试复合材料的拉伸强度;按GB/T1843-1996采用悬臂梁冲击实验机(明珠实验机械厂,中国江都室温下测试复合材料的冲击强度。样条型置于242C型动态热机械分析仪(DTMA,耐弛仪器制造公司,德国中,采用三点弯模式,频率为1Hz,以5℃/min从室温升至180℃,记录模量及相位角随温度的变化。2结果与讨论2.1PPS/CNTs复合体系的微观形态Fig.1是PPS/CNTs复合材料的断面形貌,不难发现碳纳米管均匀分布在PPS基体中,无明显的团聚现象。由Fig.1(b可看出,分散在基体中的大部分碳纳米管其直径约为40nm~50nm,比纯碳纳米管的直径(20nm~25nm大了一倍左右,这说明在熔融共混过程中碳纳米管被基体PPS所包覆,两相间存在较厚的界面层,这有效地促进了碳纳米管在PPS基体中的进一步分散。显然,PPS与CNTs间具有良好的亲和性,可以预期,一维纳米均匀分散的碳纳米管有利于复合材料综合性能的提高。Fig.1TEMimagesofPPS/CNTscomposites2.2PPS/CNTs复合材料的导电性能Fig.2给出了PPS/CNTs复合材料电导率σ对CNTs含量的依赖性。从图中看出,当CNTs含量少于1phr时,复合材料的电导率σ几乎没有变化;继续增加CNTs的含量,复合材料的电导率σ随着CNTs含量的增加而急剧增加;而当CNTs含量超过5phr之后,电导率σ的变化则趋于平缓。一般而言,当导电填料填充进绝缘聚合物基体后,复合材料往往在填料变化很小的范围内由绝缘体突变为良导体,这种现象称为导电逾渗。此时导电填料相互搭接形成逾渗网络,为电子的传输提供了导电通路。对于PPS/CNTs复合材料来说,CNTs含量从1phr增加到3phr之后,电导率σ从2126×10-15S/cm突增到2188×10-6S/cm,相对于纯PPS树脂,大约增加了9个数量级,这意味着PPS/CNTs复合材料的导电逾渗阀值可能在2phr~3phr之间。Fig.2ThecurvesofelectricalvolumeconductivityversusCNTscontentforPPS/CNTscompositesFig.3lg-lgplotoftheconductivityagainstm-mcforPPS/CNTscomposites经典的逾渗理论认为:σ∝σ0(Vf-Vf3t(1式中:σ———复合材料的电导率;σ0———填料的电导率;Vf———填料的体积分数;Vf3———临界体积分数,即逾渗值;t———电导率在临界体积分数以上的增长指数。为了与下文的力学性能研究相对比,这里采用Benoit[3]提出的用质量分数来代替体积分数的逾渗公式:σ∝σ0(m-mc3βm(2式中:m———填料质量分数;βm与式1中的t含义一样。对PPS/CNTs复合材料的导电行为采用Benoit拟合,结果见Fig.3。从拟合结果中可以得到PPS/CNTs复合材料导电逾渗的临界质量分数为219973第8期吴兰峰等:聚苯硫醚/碳纳米管复合材料的导电和力学性能phr,这与上述实验值相近,即在PPS基体中CNTs含量接近3phr时形成了逾渗网络。显然,PPS/CNTs复合材料的导电性是典型的逾渗行为。较低的逾渗阀值同样证实了CNTs均匀分散在PPS基体中,两者间良好的亲和性必然会改善复合体系的力学性能。2.3PPS/CNTs复合材料的力学性能Tab.1给出了不同PPS/CNTs复合材料的拉伸强度、模量和冲击强度与CNTs含量的关系。显然,与纯PPS试样相比,当CNTs填充量仅为1phr时,体系模量即显著增加了166%,而填充量为3phr时,拉伸强度增幅达到66%。这进一步证明了CNTs在PPS基体中的良好分散。两相间良好的界面粘接使得复合体系在拉伸过程中,界面层能够有效地将载荷传递至高强度的碳纳米管,从而显著增加了拉伸强度[4]。Tab.1ThemechanicalpropertiesofPPS/CNTscompositesSampleTensilestrength(MPaYoung′smodulus(GPaImpactstrength(kJ/m2PPS25.141.445.081phr29.883.836.713phr41.674.065.425phr43.684.356.237phr48.084.456.449phr44.324.315.83随CNTs含量的增加,复合材料的拉伸强度继续增大。不过,当CNTs含量达到3phr之后,拉伸强度的增加逐渐趋缓。如前文所述,CNTs含量达到3phr时,一方面有更多的CNTs能够承载外部载荷;但另一方面,均匀分散的CNTs开始形成逾渗网络结构,CNTs互相搭接,并随CNTs含量继续增加网络密度不断增大,此时反而容易产生CNTs的聚集(见Fig.1(c,PPS基体对CNTs的有效包覆程度变差,两相界面粘接减弱,从而形成不良的应力集中点。因此,这种CNTs的聚集和CNTs间的应力传递作用的矛盾使复合材料的拉伸强度增加趋缓。与填入CNTs后拉伸强度的显著增加相比,复合材料冲击强度的增加并不明显,见Tab.1。与PPS纯样一样,复合材料仍然表现出脆性断裂的特征。但冲击强度的略微增加仍然说明PPS基体中均匀分散的CNTs在一定程度上起到了能量耗散的作用,冲击过程中剪切带尤其是较厚的界面层有大量银纹的产生,使复合材料的冲击强度有所增加。因此,从以上测试结果综合来看,CNTs的引入全面提高了PPS的力学性能,不过CNTs的用量并非越多越好,在获得较好的力学性能提升的前提下,CNTs用量控制在逾渗阀值,即2phr~3phr左右较为适宜。Fig.4DynamicstoragemodulusE′vs.temperatureforPPS/CNTscomposites2.4PPS/CNTs复合材料的动态力学性能在材料的实际应用过程中,往往许多时候是在交变负载以及温度变化的复杂环境中使用的。这就有必要进一步对PPS/CNTs复合材料的动态热力学行为进行测试。Fig.4给出了三点弯模式测量的PPS/CNTs复合材料储能模量E’与温度的关系图。从图中看出,复合材料的储能模量E′随CNTs含量的增加逐渐增加。CNTs含量为1phr时,E′就从纯PPS基体的3800MPa左右提高到了4500MPa左右,与前面力学性能测试一致,较少的CNTs填充量即可得到较大的模量增幅。同样,储能模量E’的增加主要是由于CNTs与PPS基体之间良好的界面粘接带来的有效应力传递作用所致[5]。当CNTs含量达到3phr时,储能模量E′达到最大。与前面所述的拉伸性能一样,此时CNTs形成了逾渗网络,CNTs在承受应力的同时,还起到了传递应力的作用。而当CNTs含量超过3phr时,储能模量E′反而急剧下降,这与拉伸强度的变化不同,说明在弯曲过程中,复合体系的动态力学性能对CNTs逾渗网络结构更为敏感[6]。显然,当CNTs逾渗后随其含量继续增加,在CNTs的微观聚集和CNTs间应力传递作用这对矛盾中,对材料弯曲性能的贡献则是CNTs的微观聚集占据了主导作用。3结论熔融共混制备了聚苯硫醚/碳纳米管复合材料。均匀分散的碳纳米管显著增加了复合材料的导电性,全面提高了复合材料的拉伸及冲击强度,但过多的碳纳米管对材料力学性能贡献不大。参考文献:[1]WUDF,ZHANGYS,ZHANGM,etal.Morphology,nonisothermalcrystallizationbehavior,andkineticsofpolySci.,2007,105(2:7392748.[2]GOPAKUMARTG,GHADAGERS,PONRATHNAMS,etal.83高分子材料科学与工程2021年poly(phenylenesulfide/liquidcrystallinepolymerblends:1.non2isothermalcrystallizationkinetics[J].Polymer,1997,38:220922214.[3]BENOITJM,CORRAZEB,LEFRANTS,etal.TransportpropertiesofPMMA2carbonnanotubes[J].CompositesSyntheticMetals,2001,121(123:121521216.[4]KUANHC,MACCM,CHANGWP,etal.Synthesis,thermal,mechanicalandrheologicalpropertiesofmultiwallcarbonnanotube/waterbornepolyurethanenanocomposite[J].CompositesScienceandTechnology,2005,65(11212:170321710.[5]BROZAG,KWIATKOWSKAM,ROSLANIECZ,etal.Processingandassessmentofpoly(butyleneterephthalatenanocompositesreinforcedwithoxidizedsinglewallcarbonnanotubes[J].Polymer,2005,46(16:586025867.[6]WUDF,WUL,ZHANGM.Rheologyofmulti2walledcarbonnanotube/poly(butyleneterephthalatecomposites[J].J.Polym.Sci.PartB:Polym.Phys.,2007,45:223922251.ElectricalandMechnicalPropertiesofPoly(PhenyleneSulfide/CarbonNanotubesCompositesWULan2feng1,2,WUDe2feng1,2,ZHANGMing1,2(1.SchoolofChemistry&ChemicalEngineering,YangzhouUniversity;2.ProvincialKeyLaboratoryofEnvironmentalMaterial&Engineering,Yangzhou225002,ChinaABSTRACT:Poly(phenylenesulfide/carbonnanotubescomposites(PPS/CNTswerepreparedviameltmixing.Themorphology,electricalandmechanicalpropertiesofPPS/CNTscompositeswerestudied.TheresultsindicatethatCNTsshownicedispersioninthePPSmatrix,whichleadstoaremarkableenhancementintheperformanceofthecomposites.SmalladditionofCNTsincreasestheconductivityofthecompositesdramatically.Thepercolationthresholdisabout2phr~3phr.ComparedwiththoseofneatPPS,boththetensilestrengthandimpactstrengthofthecompositesincrease,especiallyatlowCNTsloadings.However,excessiveadditionofCNTshasnoremarkablecontributiontotheenhancementofmechanicalpropertiesduetothecontradictionbetweentheeffectofloadtransferandaggregationofCNTs,whichisfurtherconfirmedbythedynamicthermalmechanicalanalysis(DTMA.Keywords:PPS;CNTs;composites;conductivity;mechanicalproperties(上接第35页。continuedfromp.35AdsorptionKineticsofWateronCollagenFibersTULian2mei,ZHENGXue2jing,TANGKe2yong(CollegeofMaterialsScience&Engineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052,ChinaABSTRACT:Theadsorptionkineticsofwateroncollagenfiberswereinvestigatedinthepaper.Itisshownthatwateruptakingisrapidinthefirst6hours,followedbyaslowerrateuntilequilibriumisreached.Theamountofwateradsorbedoncollagenfibersatequilibriumincreaseswithincreasingtherelativehumidityoftheenvironment.BothLagergrenfirst2orderandthesecond2orderadsorptionkineticsmodelswereemployedtoanalyzetheexperimentaldata.Thesecond2orderkineticmodelpresentedabettercorrelationtotheexperimentaldata.Intra2particlediffusionplotsshowmulti2linearitywiththreedistinctstages:initialcurvedportion,followedbyintermediatelinearportionandthen,aplateau.Theintermediatelinearpartisconsideredtobecontrolledbyintra2particlediffusion.Thelinearplots,notpassthroughtheorigin,indicatethattheintra2particlediffusionisnottheonlyonefactorcontrollingthewateradsorptionrate.Keywords:collagenfibers;adsorption;water;kinetics93第8期吴兰峰等:聚苯硫醚/碳纳米管复合材料的导电和力学性能童舍材料学报妣。旎口如疵,∞‰伽^。di如e鬟御￡c一函第23卷第3期6月2006年V0123No.3June2006文章编号:1000—3851(200603—0031—06偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复合材料力学性能的影响张士华1,陈光“,崔崇1,(1.南京理工大学材料科学与工程系,南京210094米成2,顾金萍1,于静静12.安徽铜跬恒发电力实业总公司,铜陵244000摘要:采用KH一550和KH一570两种不同的偶联剂处理玻璃纤维,得到的玻璃纤维增强铸型(Mc尼龙复合材料(GFRMCN的力学性能差别很大。经过KH一570处理GFRMCN力学性能降低,而经过KH一550处理能有效提高其力学性能}KH一550质量分数与处理的玻璃纤维质量分数之间符合定量关系式,含量为0.2蹦时,GFRMCN的弯曲强度提高了35%,弯曲模量提高了72%,拉伸强度提高了46%,弹性模量提高了88%,冲击强度提高了41“。KH一550偶联剂在玻璃纤维与尼龙基体之同形成良好界面结合,达到增强效果;而未经处理的玻璃纤维断裂时从基体中拔出,玻纤与尼龙界面相当于缺陷,使MC尼龙性能下降。关键词:硅烷偶联剂}玻璃纤维;表面处理;铸型尼龙中图分类号:TQ327.1;TB332文献标识码:AEffectofsiliconcouplingagenttreatmentofglassfiberonmechanicalpropertiesofGFRMCNZHANGShihual,CHENGuang…,CUICon91,MIChen92,GUJinpin91,YUlingjin91(1.DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210094,China;2.ElectricPowerIndustryParentCompany,Tongling244000,ChinaAbstract:Differentsiliconcouplingagents(SeAcausealargedifferenceinmechanicalpropertiesoftheglassfiberreinforcedMCnylon(GFRMCN.TheKH570SCAmakesthemdecreasewhiletheKH550makesthemimproveThereiSarationalformulabetweenthel'nassfractionsofKH一550andglassfiber.WhenthemassfractionofKH一550is0,2%,thebendstrength,bendmodulus,tensilestrength,tensilestressandimpactstrengthofGFRMCNareincreasedby35%,72%,46%,88%and41蹦,comparedwiththoseofMCnylon.GlassfibersafterSIlTfaeetreatmentwitbKH一550SCAincreasethepropertiesofGFRMCNbecauseofagoodinterhcebetweenGFandnylonHowever.mostglassfibersaredrawnoutfromnylonbasementiftheyarenottreatedwithSCA.TheinterfacesofGF/nylonbecomeratalweaknessandreducethepropertiesofGFRMCN,Keywords:siliconcouplingagent;glassfiber;surfacetreatment;monomercastingnylon铸型尼龙又称单体浇铸尼龙,简称MC尼龙,是优良的工程塑料之一。除具有尼龙的共性外,还具有聚合温度低、工艺简单、结晶度高、分子量大且分布均匀、密度小、力学性能好、减震耐磨、自润滑、耐腐蚀、使用温度范围宽等优点。但普通MC尼龙存在低温韧性较差、尺寸稳定性差等缺点。为此,国内外在MC尼龙增强、增韧、减摩、抗静电方面的研究比较活跃口~},包括采用玻璃纤维增强。复合材料的性能在很大程度上取决于增强体和基体之间界面结合状态“。5]。用偶联剂进行表面处理就是通过化学或物理的作用将两种性质差异很大的不易结合的材料牢固地结合起来-“。用偶联剂处理玻璃纤维表面既可保护纤维不受磨损,也可为玻璃纤维与聚合物基体间的粘结提供良好的界面”],从而达到提高复合材料性能的目的。迄今为止,玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的研究已较多[8…】,但就玻璃纤维表面处理对MC尼龙复合材料力学性能影响的研究尚不够系统。本文旨在考察偶联剂处理玻璃纤维表面对MC尼龙复合材料力学性能影响规律的基础上,探讨玻纤偶联剂处理对玻璃纤维增强MC尼龙复合材料(GFRMCN力学性能的收稿日期:2005—07-85;收修改稿日期:2005—10—2l基金项目:国家“863”计划重大专项资助课题(2002AA22414】通讯作者:陈光,教授,博导,主要从事金属与先进复合材科方面的研究复舍材料学报影响和机理。1实验方法1.1主要原料和设备实验用己内酰胺,中国石化股份公司巴陵分公司生产;氢氧化钠,上海化学试剂生产;聚异氰酸酯胶,大连市金州区粘胶剂厂生产}无碱玻璃纤维,】00目.南京玻璃纤维研究设计院生产;硅烷偶联剂KH550、KH一570,南京市东凯精细化工厂生产。旋片式真空泵,中国临海市精工真空设备厂生产,型号为2XZ-4;电热恒温鼓风干燥箱,上海恒三仪器生产,型号为101l;电子万能试验机,长春试验机研究所生产,型号为CSS一441000;扫描电子显微镜,日本FEI公司生产,型号为Quanta200。l,2实验过程将已内酰胺单体融化后加热抽真空脱水,保持温度为130~140℃左右,一段时间后加入定量的NaOH和预热的玻璃纤维,搅拌后继续加热抽真空,温度为130~140。C,沸腾结束后停止抽真空加热,加入定量的助催化剂聚异氰酸酯胶,浇铸聚合,固化后随炉冷却,脱模,即制得玻璃纤维增强Mc尼龙复合材料。在制备复合材料的过程中,玻璃纤维需预先进行表面处理。将一定量偶联荆溶于无水乙醇中形成溶液,再加入30%质量分数的玻璃纤维,混合均匀,30min后于120℃烘干,经研磨,100目过筛,以备用。制备的试样拉伸强度按GB144783测试;弯曲强度按GB1449—83测试。2结果与讨论2.1不同偶联剂对GFRMCN力学性能的影响表1列出了用纯尼龙、未处理玻纤以及KH550和KH570处理玻纤复合的GFRMCN力学性能。所用的玻璃纤维含量均为复合材料质量分数的30%.处理玻纤时偶联剂质量分数均为玻纤质量分数的0.2%,并采用无水乙醇浸润处理。从表1可以看出,不同偶联剂处理玻璃纤维,对GFRMCN力学性能的影响很大。玻璃纤维未经偶联剂处理,得到的GFRMCN试样弯曲强度、拉伸强度和冲击强度均比纯尼龙试样有所降低。用KH-550处理的玻璃纤维改性的Mc尼龙试样,弯曲强度较纯MC尼龙提高了35%,弯曲模量提高了72%,拉伸强度提高了46%,弹性模量提高了88%,冲击强度提高了41%,硬度提高了9%,各项性能均比纯MC尼龙有很大的提高;然而,经KH一570处理的玻璃纤维改性的MC尼龙试样,其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均比纯尼龙试样有不同程度的降低。两种偶联剂处理导致GFRMCN力学性能的差异可用偶联剂对复合材料中增强体与基体的作用机理来阐明LII]。本文中所用的偶联剂KH550全称为7氨丙基三乙氧基硅烷,结构式为H2N(CH:Si(OC2H。。;KH一570全称为7一甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,结构式为CH30||H2C—c—c—O(CH23Si(OCH3KH一550和KH一570均属于有机硅烷偶联剂,其分子式一般可用R。SiX一(”<4自然数通式表示。两者的x基团(一Oc。H;和一OcH:均为硅氧基,它们可通过水解作用与玻璃纤维发生缩合反应;但是两者的R基团不同,KH一570的有机官能OCH3ll团R为甲基丙烯酰氧基一O—C—C—CH2,它无法与尼龙形成有效的化学键,因此不能在玻璃纤表1不同偶联剂处理的复合材料力学性能"fable1TheeffectsofdifferentSCAtreatingglass-fiberonmechanicalpropertiesofGFRMCN张士华,等;偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复台材料力学性能的影响维和尼龙基体间形成有效的界面结合;而KH550的有机官能团R为氨基一NHz,MC尼龙在聚合过程中由于助催化剂的活化,形成具有大量酰亚胺结构的高分子长链,这个氨基一NH。可以进攻酰亚胺结构中的羰基,并与之连接起来,其反应如下…]:NH2(cH2co—M一￡+NH2(CH23si~\/CH2HO||—一NH2(CH2co—M￡一NH(cH23si一\/cH2这样KH550通过化学键将尼龙基体与玻纤结合起来,完成两种化学性质不同材料问的偶合,从而提高了界面强度。综上所述,在玻璃纤维增强MC尼龙复合材料中,采用偶联剂KH550处理的增强效果比用KH一570处理更好。2.2KH-550用量对GFRMCN力学性能的影响图l为偶联剂用量对GFRMCN力学性能的影F争呈琶豢莒旨KH-550masst?action/%KH一550massfraction/%响的实验结果,同时将纯尼龙的力学性能用横线表示出,直观反映玻纤起到增强尼龙基体作用时的KH一550用量范围。从图1中可以看出,虽然采用相同的KH一550偶联刺处理玻璃纤维。但是偶联剂用量的不同对GFRMCN的增强效果也有所不同。当偶联剂用量为0%,即玻璃纤维表面不经过偶联剂处理,得到的GFRMCN与纯MC尼龙相比,强度指标明显有所降低;随着偶联剂用量逐渐增加,GFRMCN力学性能随之迅速改善,但是此时玻璃纤维在基体中仍没有起到增强效果,GFRMCN力学性能仍然低于纯尼龙材料;只有当偶联剂用量超过一定数值(约0.1%以后,玻璃纤维才会对尼龙基体起到明显的增强效果{当偶联剂质量分数约为玻璃纤维的0.2%时,GFRMCN复合材料力学性能达到最优,与纯MC尼龙相比,弯曲强度达到163MPa,提高了35%,弯曲模量达到5.893GPa,提高了72%;拉伸强度达到107MPa,提高了46%,弹性模量达KH-550massflaction/%KH_550mals￥fraction/%图1不同用量fI勺KH550处理玻纤对GEMCN力学性能的影响Fig.1Thee{fectsofcoDtent￥ofSCAKH550treatingglass一[iberonmechanicalpropertiesofGFRMCN复舍材辩亏握到4.845GPa,提高了88%;无缺口冲击强度达到72kJ/m2,提高41%;硬度达到82,提高9%;此后,随着偶联剂用量的继续增加,GFRMCN力学性能在不同程度上有所下降,最终甚至低于纯尼龙。由此可见,经不同用量偶联剂处理的玻璃纤维在MC尼龙中并非都能表现出增强GFRMCN的效果,只有在偶联剂用量适中时,才能对MC尼龙复合材料有增强作用。有机硅烷偶联剂的用量一般为处理基材(增强材料玻璃纤维质量的0.1蹦~3.0%。硅烷偶联剂(SCA在玻纤表面形成理想的单分子覆盖情况时所需的量(w可用下式计算““:Ⅳ一坠皇(13’式中:w为有机硅烷偶联剂(SCA的用量(g;W,为玻璃纤维用量(g;S。为玻璃纤维的比表面积(m2/g;S:为SCA的最小包覆面积(m2/g。有机硅烷偶联剂最小包覆面积是指从溶液中沉淀出lg有机硅烷偶联剂所覆盖玻璃纤维的表面积,不同的有机硅烷偶联剂的最小包覆面积不同。而且,偶联剂在处理基体表面上的涂覆并非只是单分子层,而是约有10个单分子层厚度连续而均匀的薄膜,且增强材料单丝问的空隙往往比表面上含有更多的偶联剂。本实验中采用KH一550硅烷偶联剂处理100目无碱E玻纤,查得KH一550的最小包覆面积大约为354m2/g,无碱E玻璃纤维的比表面积约为0.1354矗/g[1…,由公式(1得出KH一550质量约为增强材料(玻璃纤维质量的0,02%,则10个单分子层包覆玻纤所需KH一550用量恰好是玻纤质量的0.2%左右。因此可以认为偶联剂KH一550质量与处理的玻璃纤维质量之间符合关系式:w:坠姿!!璺(2j’2.3玻璃纤维/尼龙复台材料断口形貌观察与分析未处理的玻璃纤维作为增强材料时,不但没有使性能得到提高,反而降低了MC尼龙复合材料的性能;而用处理得当的玻璃纤维来增强,复合材料力学性能得到了大幅度的提高,说明玻璃纤维的表面处理对复合材料性能起着至关重要的作用。通过观察拉伸断口SEM照片进一步分析表面处理对玻纤与基体之问的界面结合的影响及其与复合材料性能的关系(图2、图3。图2纯MC尼龙拉伸蹶面形貌Fig.2ThemicrostruetureofMCnylonspecimentensilesurface图2是纯MC尼龙拉伸断口的SEM照片,表现为典型的均质材料韧性断裂。图3(a、3(b是未经处理的玻璃纤维增强MC尼龙复合材料拉伸断口的扫描电镜照片。可以看到,玻璃纤维表面十分光滑,未与尼龙基体产生任何结合,而是简单堆砌在尼龙基体中,断裂时尼龙基体沿界面剥离,而玻璃纤维断裂的位置并不在基体主裂纹平面上,而是出现在基体中,所以断面有大量露头的拔出纤维以及玻璃纤维拔出后留下的孔洞。可见,未经表面处理的玻璃纤维不仅不能与尼龙基体形成良好的界面结合,反而在玻璃纤维与基体的界面处留有空隙,使基体的承载能力整体降低。当试样受到外应力作用时,由于基体与纤维在模量上的差距,顺着纤维轴向的拉应力使基体与纤维的纵向变形不同,在纤维两端的界面上产生相对较大的剪应力,从而使玻璃纤维一端或两端脱粘,继而出现滑动,最终玻璃纤维被直接从尼龙基体中拔出,而其增强作用完全没有得到发挥;另外,玻纤与尼龙界面成为复合材料中最薄弱环节,加入的玻纤在尼龙基体上形成大量的界面,这些界面也就相当于材料中的缺陷,从而使复合材料的整体强度降低,甚至低于纯尼龙。图3(c、3(d是用量0.2%KH一550偶联剂处理玻纤增强MC尼龙复合材料的拉伸断面形貌。从图中可以看到,通过KH一550偶联剂处理后,玻璃纤维与尼龙基体之阃界面结合良好,不再是复合材料的薄弱环节,拉伸断口没有玻璃纤维拔出现象,玻璃纤维与尼龙基体的断裂面同层,基体将所承受的载荷通过界面传递给玻璃纤维,发挥出玻璃纤维的增强作用。一般认为,在玻纤复合材料中,张士华,等;偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复合材料力学性能的影响图3GFRMCN拉伸断面形貌Fig.3TheSEMphotosofGFRMCN玻璃纤维是主要的承力组分““,当受到载荷时,断裂通过界面作用,将基体所承受的载荷传递给纤维,由于玻纤轴向传递,应力被迅速扩散,阻止裂纹的增长,在载荷累积达到纤维强度以上时,引起纤维的断裂,复合材料亦被破坏,即发挥了纤维的增强作用;同时这种传递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,从而增强了材料承受外力作用的能力.在宏观上显示出材料的弯曲强度、拉伸强度等力学性能大幅度提高。3结论(1表面处理对玻璃纤维增强MC尼龙复合材料起着至关重要的作用。不同偶联剂表面处理对GFRMCN力学性能的影响很大。KH一550对于玻纤增强MC尼龙复合材料具有良好的增强效果,而KH一570并没有起到增强效果。(2偶联剂用量不同对GFRMCN力学性能产生很大影响。KH一550质量分数与被处理的玻璃纤维质量分数之间符合定量关系式。用0.2%质量分数KH550偶联剂处理后,玻璃纤维与尼龙基体结合良好,能有效发挥增强作用,与纯MC尼龙相比,弯曲强度提高35%,弯曲模量提高72%;拉伸强度提高46%,弹性模量提高88%;无缺口冲击强度提高41%。参考文献:E1]任紫菊,宁荣昌碳纤维增强MC尼龙的研究口].复台材科学报,2000,i7(2;16一19.RenZiu,NingRongehan臣InvestigationofMCnylonrein—forcedwithcarbonF/bar口]fAf∞MateriaeCompositaes2≈pcd,2000,17(2:16—19.E23孙向东,孙旭东,张慧渡.MC尼龙改性研究的新进展[J]工程蝎料应用.2003,31(2:5963。SunXiangdong,SunXudong,ZhangHuibo.NewadvanceinthemodificationresearchofMCnylonEJ].EngineeringPlasticsApplication,2003.31(2:59—63.[33罗毅,肖勤莎.改性尼龙6工程塑料的现状和发展趋势[刀中国塑料,1998,5(12;9—15.LuoYi,XiaoQinsha.Productionsituationanddevelopmenttrendofnylon6engineeringplastic[J]inaPlastic,1998,5(12,9—15.———————————————————一．。。．复舍材料学报啪畅佩钊．复合材料及其应用技术［Ｍ］．重庆ｔ重庆大学出版社．１９９８ｉ］４７—１５０．ｎｙｌｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｇａｉｎｓｔｓｔｅｅｌ［Ｊ］ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉ—１６９０．ｅｎｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，１９９４，１３：１６８４哪嘲彭治汉，旆祖培．塑辩工业手册［Ｍ］北京：化学工业出版社，２００１；３８９—３９５．厂１０１ＦｅｒｒｅｌｒａＪＡＭ，ＣｏｓｔａＪＤＭ，ＲｉｃｈａｒｄｓｏｎｔｅｓｔＭａＯⅥＥｆｆｅｃｔｏｆｎｏｌｃｈａｎｄｆｏｒｃｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｆａｆｉｇｕｅｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ—ｒｅｉｎ－ａｎｄ刘相果，彭晓东，刘江，等．偶联剂对短玻纤增强ＰＡ６６微ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅ１２４３—１２４８．观结构及性能影响研究口］．工程翅科应用，２００３，３１（７）；１——４Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，５７（０）ｉ［１１］周祖福复合材料学［ｗ１］．武汉；武汉工业大学出版社，１９９７：２５３２６４．ＬｉｕＸｉａｔｌｇｇｕｏ，ＰｅｎｇｏｆｔｈｅＸｉａｏｄｏｎｇ，ＬｉｕＪｉａｎｇ，ｅｔａｇｅｎｔｏｎａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａａｄ［Ｊ２］崔国平，盖雨聆，李国棘，等．玻璃纤维增强ＭＣ尼龙复合材料的力学性能［Ｊ］．北京机械工业学院学报ｔ１９９９，１４（１）：１１—１５．ＣｕｉＧｕｏｐｉｎｇ，Ｇａｉｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｈｏｒｔｇｌａ｝＿ｓｆｉｂｅｒｎｙｌｏｎ６６４．［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｌａｓｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００３，３１（７）：１阴Ｋａ州ａＮ。ＭｉｃｈｉｈｉｒｏｔａｎｄＴ，ＡｔｓｕｓｈｉｏｆＴ，ｅｔａ１．ＡｇｇｒｅｇａｔＪｏｎｉｎｓｈｏｒｔＹｕｌｉａｇ，ＬｉｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＧｕｏｌｕ，ｅｔａｌ．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭＣｐｒｏｐｅｒ。ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｌｅｃｕｉａｒｍｏｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｇｌａｓｓ’ｆｉｂｅｒｔｉｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｎｙｌｏｎ口］．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｎｙｌｏｎ６６４０５５——４０６２．ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ，２００２，４３（１４）：ｏｆＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，１９９９，１４（１）：１１—１５．［１３３郑德，车杰．塑料助荆与配方设计技术［Ｍ］＿北京：化学工业出版杜，２００２：１６９Ｄ４］高志秋，陶ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ吖１７５．嘲赵若飞，周晓东，戴于策．玻璃纤维增强聚丙烯界面处理研究进展口］．玻璃钢／复合材料，２０００（３）：４９—５３．ＺｈａｏＲｕｏｆｅｉ．ＺｈａｏＸｌａｃｄｏｎｇ，Ｄａｉｉｎｔｅｒｆａｃｅ’ｒ髓ｔⅡｍｎｔｉｎＧａｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈ炜，金文兰．长玻纤增强尼龙５复合材料研究５．ｏｎ［Ｊ］．工程塑料应用，２００１ｔ２９（７）：ｚＧａｏＺｈｌｑｌｕ，ＴａｏｇＬａ祷ｆｉｂｅｒｒｅｂａＣｏｒｅｅｄｐ。ｌ卯ｒｏ甜Ｉｅｎｅ￡ｊ］．Ｗｅｉ，ＩｈＷｅｎｌａｕ．ＳｔｕｄｙｔｈｅｌｏｎｇｇｌａｓｓＰｌａｓｔｉｃｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎ南ｎｅｄＰｉｅｔｉｅｓ／Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．２０００（３）：４９—５３．ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｎｙｌｏｎ６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］＿Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ５．啪Ｉ．ｉｎＹｅＳｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｉｏｆａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ／Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．２００１。２９（７）：２万方数据碳纳米管增强陶瓷基复合材料王晓丽(江苏江阴国家纺织产品质量监督检验中心214400【摘要】:本文综述了碳纳米管独特结构与力学性能,碳纳米管增强陶瓷基复合材料的烧结成型以及其物理、力学性能,并对碳纳米管增强陶瓷基复合材料的研究进行了展望。【关键词】:碳纳米管;陶瓷基复合材料;物理性能;力学性能引言碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs:[1]是一种非常奇特的新型一维纳米材料,碳纳米管在结构上与其它的碳材料有很大的不同,它是由石墨中的碳原子在1200℃以上的高温下,从其微观结构的六边形网格层面的边界开始卷曲,直到两个边界完美地结合在一起而形成的一个笼状“纤维”。碳纳米管呈空心管状结构,其长度为微米级,直径为纳米级。根据管壁的碳原子层数,可分为单壁碳纳米管(SingleWallCarbonNanotubes,SWCNTs和多壁碳纳米管(Multiwal1CarbonNanotubes,MWCNTs。碳纳米管独特的结构,致使其具有非常独特的性能。碳纳米管的电子结构与其构型直接相关,不同的构型,可以表现出金属性或半导体性,使之成