1、6 復合材料的界面處理技術 復合材料的性能在很大 程度上取決于其界面粘結狀態，而復合材料界面粘結狀態與增強體的表面形態及其與基體的相容性有關。為了獲得好的界面粘結，通常要對增強材料的表面進行有針對性的處理，以改善其表面性能，獲得與基體的良好界面粘結。 6.1 增強材料的表面處理技術 6.1.1 玻璃纖維的表面處理 6.1.1.1 玻璃纖維表面處理的目的和意義 所謂表面處理，就是在增強體表面涂覆上一種稱為表面處理劑的物質，這種表面處理劑包括浸潤劑及一系列偶聯劑和助劑等物質，它有利于增強體與基體間形成一個良好的粘結界面，從而達到提高復合材料各種性能的目的。 圖6.1 自然環境曝曬后的強度影響1沃蘭

2、處理； 2A151處理；3A172處理；4未處理圖6.2 人工氣候加速老化后的強度影響1沃蘭處理； 2A151處理；3A172處理；4未處理6.1.1.2 偶聯劑及其作用機理 偶聯劑是這樣的一類化合物，它們的分子兩端通常含有性質不同的基團，一端的基團與增強體表面發生化學作用或物理作用，另一端的基團則能和基體發生化學作用或物理作用，從而使增強體和基體很好地偶聯起來，獲得良好的界面粘結，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蝕。增強體為玻璃纖維時，按化學組成，偶聯劑主要可分當為有機鉻和有機硅兩大類，此外還有鈦酸酯等。 何為偶聯劑？(1)有機酸氯化鉻絡合物類偶聯劑 有機酸氯化鉻絡合物簡稱鉻絡合物，

3、這類絡合物通常是用堿式氯化鉻與羧酸反應而制得。 2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O這類鉻絡合物無水時的結構式為： 沃蘭(Vo1an)，結構式為 ： 沃蘭是一種有機酸鉻絡合物，它通常配成水、異丙醇或丙酮的溶液，該溶液是酸性的，一般是暗綠色，常用的是它的水溶液。 碳纖維-鋁復合體系中，反應使碳纖維結構受到破壞而且逐漸發展，同時所成成的( )為脆性物質，從而容易形成裂紋源。因此，在較高溫度下使用碳纖維增強鋁復合材料時，往往需要在纖維表面涂覆一層保護層。這層保護層多數采用( )。將SiC單纖維在通入C2H2的情況下蒸鍍Zr，在反應后再蒸著Al，得到( )的復合界面，它

4、可以抑制SiC和鋁的界面反應。Kevlar纖維結構單元經，等離子體處理的Kevlar纖維表面可引入-（ ）基團玻璃纖維表面處理偶聯劑復習回顧沃蘭處理劑與玻纖表面的作用可用如下過程表示： (2)有機硅烷類偶聯劑 有機硅烷是一類品種很多，效果也很顯著的表面處理劑，其一般結構通式為：RnSiX4-n X基團與玻璃纖維表面的作用機理： 硅烷偶聯劑處理玻璃纖維通常經歷四個階段： 開始時在偶聯劑Si上的三個不穩定的x基團發生水解； 隨后縮合成低聚體； 這些低聚體與基質表面上的-OH形成氫鍵; 最后在干燥或固化過程中與基質表面形成共價鍵并伴隨著少量的水。 R為有機基團，是可與合成樹脂作用形成化學鍵的活性基團

5、,如不飽和雙鍵、環氧基、氨基等；X為易水解的基團，如甲氧基、乙氧基等。n1，2，3 絕大多數n1R基團與樹脂基體的作用機理： 以R基團為乙烯基CHCH2與不飽和聚酯樹脂中的不飽和雙鍵的反應為例： (3)新品種硅烷偶聯劑 硅烷偶聯劑是偶聯劑中最重要的一大類型，除了目前已廣泛應用的幾十種外，近來又開發了許多新的品種，下面介紹主要的幾個品種。 耐高溫型硅烷偶聯劑 過氧化物型硅烷偶聯劑 特點：一是偶聯作用的獲得是通過過氧化物熱裂解，而不是通過烷氧基團的水解；二是偶聯作用不局限于玻璃纖維增強塑料，而是適用于一大類相似或不相似物質之間的偶聯。 陽離子型硅烷偶聯劑 陽離子硅烷，除了具有一般水解型硅烷的性質外

6、，還同時具有陽離子表面活性劑的作用，可改善無機物在樹脂中的分散性。 水溶性硅烷偶聯劑 其化學名稱為二聚氮什酰胺基三甲氧基硅烷。它是一種水溶性偶聯劑，在分子主鏈上含有硅氧烷功能基團和氨基反應活性基團，其效果與A-偶聯劑相當。 疊氮型硅烷偶聯劑 6.1.1.3 偶聯劑的品種及其應用范圍 偶聯劑能有效地提高玻璃纖維與樹脂基體的粘結強度，所以，國內外都進行了大量的研究工作。目前國內生產的常用偶聯劑有沃蘭、A151、KH550、KH560、ND42、B201、B202等。經每種偶聯劑處理后的玻璃纖維，都有自己相應的樹脂基體適用范圍。Eg:1)、KH570對不飽和聚配樹脂處理效果最好；2）、A151、A1

7、72對1，2聚丁二烯樹脂和丁苯樹脂最有效；3）、KH560對環氧樹脂最好；4）、KH550對酚醛樹脂、聚酰亞胺效果最好；5）、沃蘭處理的玻璃纖維對大部分樹脂都有較好效果，且價格便宜，是一種最常用的偶聯劑。 6.1.1.4 玻璃纖維表面處理方法及影響因素 (1)玻璃纖維表面處理方法 后處理法 前處理法 遷移法 處理意義：我們知道復合材料的性能不僅與樹脂、纖維的性質與含量有關，而且在很大程度上取決于二者的結合狀況。表面處理（包含界面處理），就是在玻璃纖維表面涂一層叫做“表面處理劑”的物質，使纖維與樹脂能牢固地結合，以達到提高玻璃鋼性能的目的。后處理法： 使用紡織型浸潤劑的玻璃纖維及制品，在使用前原

8、則上都采用此法處理。目前普遍采用的一種方法。 處理方法：分兩步：（對于“紡織型浸潤劑”） 首先除去浸潤劑. a、洗滌法:在皂水或有機溶液中清洗，然后烘干。 b、熱處理法：（250450） 1h。 第二步用表面處理劑處理（要求產品質量較高時），處理步驟為: 浸漬水洗烘干 前處理法 是適當改變浸潤劑配方，使之既能滿足拉絲、退并、紡織各道工序的要求，又不妨礙樹脂基體對玻璃纖維的浸潤和粘結。將偶聯劑加入到上述的浸潤劑中，在拉絲過程中表面處理劑就被覆到玻璃纖維表面上。 用這種被覆了增強型浸潤劑的纖維織成的玻璃布稱為前處理布。 與后處理法比較 ： 1）、不需再做任何處理而可以直接應用 ； 2）、可省去復雜

9、的處理工藝及設備，使用方便 ； 3）、避免了因熱處理而造成的纖維強度損失，是比較理想的處理方法；缺點： 既要有處理效果，又要同時滿足紡織工藝，和樹脂基體要有良好的浸潤以及滿足制作玻璃鋼各道工序的要求，是一個比較復雜的綜合技術問題。 遷移法 將化學處理劑直接加入到樹脂膠液中進行整體摻和，在浸膠的同時將偶聯劑施于玻璃纖維上，借處理劑從樹脂膠液中到纖維表面的“遷移”作用而與纖維表面發生反應，從而在樹脂固化過程中產生偶聯作用。 遷移法常與前處理法結合使用。 遷移法比較適用于填料與樹脂不便于分開的體系. 一般來說，遷移法處理的效果較前兩種方法稍差 優點:工藝操作簡便，不需要龐雜的處理設備，能源消耗也大大

10、降低。 (2)偶聯劑用量及影響處理效果的因素偶聯劑用量 起偶聯作用的是微量的偶聯劑單分子層 ，每種偶聯劑的實際最佳用量，多數要從實驗中確定 。Eg：KH560作為遷移法用偶聯劑，其用量一般為1；注意：偶聯劑用量也可采用計算法求得 ：計算方法： 100g給定被處理的增強材料的表面積，被1g硅烷偶聯劑的最小涂覆面積所除，即得該硅烷偶聯劑在100g此種被處理材料上涂覆一單分子層時所需要的量。 例如：欲處理材料的比表面為7m2/g。由表6.3查得KH560偶聯劑的最小涂覆比表面為330m2/g ，欲處理該材料100g，則所需偶聯劑量為：1007/330=2.1(g)一般來說，偶聯劑的實際用量應高于上述

11、的計算用量。 影響處理效果的因素 Eg：KH560對玻纖布進行處理時 ，前處理法得到的玻璃纖維布和用遷移法對布進行處理的效果一樣 ，但用后處理法時，處理效果就不十分明顯 。烘焙溫度的選擇 ： 烘焙溫度是使偶聯劑與玻璃纖維表面發生偶聯作用的關鍵因素之一 ，溫度不能過低，也不能過高。 Eg：用沃蘭偶聯劑，采用的預烘條件為80經3min后再在140160下烘焙。 用KH550處理時，預烘條件相同，烘焙溫度則為180。 烘焙時間的選擇： 烘焙時間應選擇在一定烘焙溫度下偶聯劑與玻璃纖維表面的偶聯反應能充分進行 。Eg：用沃蘭處理時，一般時間為715min， 用KH550處理時，在10min左右。 為提高生