纖維增強不飽和聚酯的研究進展
時間:2005-07-02
纖維增強復合材料始于1908年，20世紀40年代玻璃纖維增強UP開始商品化。纖維增強UP具有良好的性價比，優異的加工性、力學性能和耐化學性等，在航空、汽車、印刷集成電路等領域有極為廣泛的應用。隨著UP改性技術的發展，纖維增強UP已逐漸成為UP改性的重點。采用纖維增強UP制備的復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，總結了近幾年來纖維增強UP復合材料的研究進展。
1、UP組成對其復合材料性能的影響
復合材料的界面結合強度是影響復合材料性能的重要參數之一。其界面結合強度與基體樹脂的選擇有關，并對復合材料的性能產生很大的影響。POt.K等研究了UP的組成對玻璃纖維增強UP的界面鍵合力強度的影響。它的影響通過UP層壓板的拉伸強度來衡量。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的拉伸強度。當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UP／聚氨酯雜化網絡復合材料、發現當加入聚氨酯的含量為20wt%時，聚酯的韌性和強度均提高。聚酯、苯乙烯、聚氨酯三者混合具有良好的相容性，在聚合反應時形成同序的互穿網絡（IPN），復合材料的最終互穿網絡形態結構具有單一的玻璃化轉變溫度。臺會文等添加少量的聚氨酯與UP形成互穿網絡；采用纖維增強互穿網絡體系制濟復合材料。研究發現；少量聚氨酯（PU）的加入有利于增強樹脂與纖維之間的粘接力，使復合材料的強度提高，在PU含量為5％時出現極值。當聚氨酯的含量進一步提高時，PU分子鏈的增多導致了IPN相疇尺寸的變化，使原來樹脂網絡與纖維之間的致密結合受到影響，但同時相疇的變化引起相分離的趨勢增強，樹脂產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；拉伸強度基本不受PU含量的影響，大于5%時強度下降。原因在于少量的PU的加入，增加了體系的粘接力，故復合材料的拉伸強度增加，但增加的幅度不大。隨PU合民的增加，互穿網絡產生相分離的趨勢增加，影響粘接力，拉伸強度下降。復合材料的彎曲強度影響因素復雜，在加入PU后彎曲強度變化不大。
2、增強材料類型對UP復合材料性能的影響
UP可選用不同的增強材料，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UP是一種較早的復合材料。主要優點是價格低廉、高拉伸強度、耐化學性、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合材料。NauvenHoa H等用玻璃纖維平紋布增強 UP。研究發現其強度效果好。Masud AKM等用芳酰胺短切纖維制備UP復合材料，發現復合材料的彎曲強度和能量吸收隨纖維長度和含量的增加而增加。
對于天然纖維，尤其是大麻、亞麻、黃麻等具有一定的力學性能，可取代玻璃纖維來制備復合材料。其優點是價格低廉、低密度、高韌性、一定的強度性能、易分離、有較高的生物降解性等Huahes M等用植物纖維增強UP制備了大麻氈增強UP復合材料及短切玻璃纖維增強復合材料。研究發現，大麻增強的復合材料比短切玻纖增強復合材料表現出明顯的低韌性。Jain S等用竹纖維增強U P，研究發現其強度優于玻璃纖維UP復合材料。O’De11 JL采用無編織黃麻纖維制備 UP復合材料板。其拉伸強度，拉伸和彎曲模量為商業化玻璃纖維織物增強復合材料板的50%。懸臂梁沖擊強度和彎曲強度均低于玻璃纖維增強的復合材料。盡管采用天然纖維增強的UP復合材料有較多的優點，但在這類復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，同時由于纖維降解的可能性等均會影響復合材料的性能、因此有必要對纖維進行表面處理。
3、纖維的表面改性對纖維增強UP性能的影響
纖維與基體的界面結合是影響纖維增強復合材料性能的主要因素之一，因此界面結合的問題成為纖維增強復合材料的研究熱點。采用對纖維進行上漿處理，可改善纖維與UP的界面結合力，從而提高纖維增強 UP的力學性能。 Soo－Jin Papk等L利用聚乙烯酸（PVA）、聚酯和環氧樹脂上漿玻璃纖維的表面來提高纖維增強UP的力學性能。研究發現經漿料處理的復合材料的層間剪切強度（ILSS）和臨界應力-強度應子（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），并且發現表面活性能與ILSS和KIC有明顯的線性關系。上漿后的纖維增強復合材料的彎曲強度（Of）和彎曲彈性模量（Eb）均比未上漿的纖維復合材料大，其中以環氧樹脂處理的纖維復合材料值最大，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照片發現未上j漿的與用PVA處理玻璃纖維增強復合材料具有低的力學界面性能（如ILSS和KIC）；而用環氧樹脂處理玻璃纖維制備復合材料，纖維與基體有強的粘結強度，從而提高了復合材料的力學性能樹在RTM工藝中，液體樹脂侵入纖維在模具中完成，樹脂浸漬受幾個因素的影響，如液體樹脂的化學流變性的影響，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工藝的一個重要方面，纖維浸潤性差會造成空隙的形成，影響纖維樹脂基體的粘接等，最終降低復合材料的力學性能及其它性能。 A．C．De Albuquerque等研究了黃麻粗紗增強的UP復合材料。黃麻粗紗經BYK－A515處理后復合材料的拉伸強度。楊氏模量、彎曲強度、彎曲模量隨纖維含量的增加而增加。當纖維的含量為30％時，其拉伸強度為68.7Mpa，楊氏模量為1.4GPp斷裂伸長率為6.15％，彎曲強度為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，然后用于增強聚合物復合材料。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合材料與未處理的纖維制備的復合材料相比具有較好的力學性能和較好的再生性。
硅烷偶聯劑廣泛應用于纖維處理。在纖維與硅烷仍聯劑的界面處，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。如果根據樹脂基體選擇適當的偶聯劑，可改善纖維的表面張力。C，W，Lee等采用硅烷偶聯劑對玻璃纖維進行表面改性，實驗采用的偶聯劑是Ý（甲基丙烯酸氧基）丙基三甲基氧硅烷（Ý一MPS）。研究發現用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管壓力的作用，玻璃纖維的滲透性比未處理過的小； UP復合材料的空隙量較低；其力學性能均有較大的提高。從復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的界面粘接力。
研究表明采用含有氨基的硅烷偶聯劑能較好提高復合材料的界面力學性能。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，研究硅煉偶聯劑對玻璃纖維增強UP復合系列的力學界面性能的影響。研究表明使用偶聯劑導致復合材料的層間剪切強度增加；用0.2wt％硅烷處理所得纖維復合材料應力強度因子達最大值，約為3．98MPa/m2；當硅烷的濃度高于0.2wt％；復合材料的界面力學性能降低。Masud AKM等研究了纖維的處理對芳酰胺纖維復合材料的界面及彎曲強度的影響，發現纖維處理后能同時影響界面剪切強度和纖維強度。A.k.Ssha等通過化學改性，利用氰乙基化作用提高黃麻在UP復合材料中的適用性。將改性的黃麻制備的UP復合材料與未改性黃麻纖維制備的UP復合材料進行對比，研究材料的彎曲摸量、機械減震性能與溫度之間的關系。此外，通過蠕變實驗研究承載能力與時間的關系。結果表明采用未改性的固化樹脂的損耗模量峰值對應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復合材料則增加；從SEM分析，改性的黃麻制備的UP復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合力。
4、結語
在玻璃纖維增強的不飽和聚酯復合材料中，除了以上的主要因素外，引發劑、促進劑、添加劑的種類及含量、鋪層方法、工藝條件等均會影響 U P與纖維的界面結合力。如使用低揮發性的苯乙烯的樹脂時復合材料脫層問題更顯著，大大降低了其力學性能。此外，纖維增強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UP技術的發展及考慮生態環境等綜合因素，采用天然植物纖維增強UP。仍將是今后的研究重點，而纖維與UP基體的界面改性也是研究的熱點。
