隨著現代工業的快速發展,樹脂基復合材料(又被稱為纖維增強塑料(FRP)),憑借著自身固有的優點,越來越受到人們的青睞,廣泛應用于航空航天、軌道交通、風電能源、節能建筑、體育器材等領域。
一、樹脂基復合材料的界面層
樹脂基復合材料的界面層,并不僅是纖維與樹脂基體簡單接觸的一個幾何界面,而是具有一定厚度、結構的過渡區域(如圖1)。
界面層的結構由樹脂與纖維間的接觸與潤濕、樹脂固化這兩個階段共同作用決定,界面層對樹脂基復合材料整體的物理性能具有**重要的影響。界面層會影響纖維與樹脂基體間的應力傳遞、復合材料的裂紋擴展歷程以及復合材料對環境因素的適應性。當受力時,復合材料會因為應力集中點的存在而發生裂紋,裂紋在樹脂基體中擴展,若遇到高強度的纖維時,就會阻止其前進,裂紋被迫沿界面發展,使其脫膠。若遇到低強度的纖維就會導致纖維的斷裂,而纖維的斷裂與纖維從樹脂基體中拔出克服摩擦力的過程,就會吸收大量的能量。裂紋在材料中不斷地迫使界面脫膠,纖維拔出,基體和纖維的斷裂,直至復合材料被破壞。
二、浸潤劑/上漿劑
除了選用合適的基體樹脂和纖維材料外,還需要關注提升纖維與樹脂基體的界面結合力,這就不得不提到纖維浸潤劑/上漿劑。未經表面處理的玻璃纖維表面光滑、活性基團少,其無機特性與有機特性的不相容性,使得玻璃纖維與樹脂基體界面結合較弱。類似地,未經表面處理的碳纖維表面是高度穩定且非極性的光滑類石墨結構,直接與樹脂基體很難形成理想的界面粘接。所以需要在玻璃纖維和碳纖維表面使用浸潤劑/上漿劑進行處理。圖3分別是玻璃纖維和碳纖維生產過程的卡通示意圖。浸潤劑/上漿劑一般由成膜劑、偶聯劑、潤滑劑及其它添加劑等組成的溶液、乳液或者分散體。
浸潤劑/上漿劑的作用主要有如下幾點:
1、保護“新鮮出爐”的纖維表面免受磨損,減少毛羽產生;
2、使纖維在加工以及后加工過程中不會斷裂;
3、使纖維不受水的侵蝕;
4、提高界面剪切強度和界面結合力,提升復合材料綜合物理性能。
例如,以玻璃纖維為例,下圖是玻璃纖維、浸潤劑和基體樹脂的作用示意圖(如圖4)。硅烷偶聯劑與玻璃纖維表面反應生成硅氧鍵,而硅烷偶聯劑另一端含有氨基、環氧、雙鍵等有機官能團,能與成膜劑相溶。成膜劑的作用是在纖維表面形成一層較厚且堅韌的連續保護膜,防止纖維被摩擦損傷,同時所形成的連續保護膜必須有良好的彈性,以適應高速拉絲工藝。成膜劑一般有聚醋酸乙烯酯、聚酯、環氧樹脂、聚氨酯等樹脂的分散體或乳液。潤滑劑一般有醚類、醇的共聚物類、陽離子胺鹽類、油酸酯類等。在掃描電鏡下(如圖5所示),良好的纖維界面處理是纖維被樹脂包覆良好,而較差的纖維界面處理則是纖維在樹脂中可以滑移或者有光滑的斷面。