芳纶纤维表面分析及其对双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能的影响.pdf

　５４　　　　　　材料工程／２０１２年９期　　　芳纶纤维表面分析及其对双马来酰亚胺　　　树脂复合材料界面性能的影响　　　　　　　　ＥｆｆｅｃｔｏｆＳｕｒｆａｃｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＯｉｌＩｎｔｅｒｒａｃｉａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ　　　　　　ＡｒａｍｉｄＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＢｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ　　　　ＲｅｓｉｎＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　　　蒋诗才，石峰晖　　　　　　　　（ｄｅ京航空材料研究院，北京１０００９５）　—　—　ＪＩＡＮＧＳｈｉｃａｉ，ＳＨＩＦｅｎｇｈｕｉ　　　　　　（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　摘要：采用反气相色谱和扫描电子显微镜测试分析了芳纶纤维的表面性能，结果发现Ｋ１和Ｋ２两种芳纶纤维的表面均　　　　　　　　　　　　　　比较光滑，总表面能基本相当，但极性表面能和色散表面能分量存在较大差异。层间剪切强度测试表明Ｋ２／５４０５复合　　　　　　　　　　　　材料的界面强度高于Ｋ１／５４０５复合材料，断口形貌分别呈现出不同的基体破坏和界面破坏模式。利用Ｇｏｏ＆Ｇｉｒｉｆａｌｃｏ　　　　　　相互作用参数分析纤维和树脂的表面能与复合材料界面性能的关系，结果发现复合材料中两相间的相互作用参数增大，　　　　匹配性提高，界面性能亦有所提高。　　　　　关键词：芳纶纤维；表面特性复合材料；界面　　中图分类号：ＴＢ３３２　　　文献标识码：Ａ　　———　文章编号：１００１４３８１（２０１２）０９００５４０４　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｒａｍｉｄｆｉｂｅｒｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｉｎｖｅｒｓｅｇａｓｃｈｒｏｍａ～　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｔｏｇｒａｐｈｙ（１ＧＣ）ａｎｄＳＥＭ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＫ１ａｎｄＫ２ａｒ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ａｍｉｄｆｉｂｅｒｓｉｓｇｌｏｓｓｉｅｒ，ａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｉｅｓｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｓａｒｅｓｉｍｉｌａｒｗｈｉｌｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｈｅｄｉｓｐｅｒ　　　　　　　　　　　　—　ｓｉｖｅａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙ．Ｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈ（ＩＬＳＳ）ｗａｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａ　　　　　　　　　　　　　　　ｃｉａ１ｂｉｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂａｓｅｄｏｎａｒａｍｉｄｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ＩＬＳＳｏｆＫ２／５４０５ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＫ１／５４０５ｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｉｓ　　　　　—　　　　　ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌｄｅｂｏｎｄｉｎｇａｎｄｍａｔｒｉｘｂｒｏｋｅｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＧｏｏｄＧｉｒｉｆａｌｃｏｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｗａｓｐｒｏｖｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ａｓａｋｅｙｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｔｏａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｒ　　　　　　　　　　　　　　　ａｍｉｄｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌｂｉｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｕｌｄｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅ　　　　　　　ｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｂｅｔｗｅｅｎｆｉｂｅｒａｎｄｒｅｓｉｎ．　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒａｍｉｄｆｉｂｅｒ；ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　　　　　　　　　　　芳纶纤维具有耐高温、高模量、高强度、抗冲击、耐　　　　　　　　　　　　　　　　磨损、低电导率、耐腐蚀等优点，由其作为增强体的结　　　　　　　　　　　　　　　构复合材料已广泛应用于航空、航天、建筑、体育等领Ⅲ　　　域。结构复合材料主要由纤维和树脂基体组成，纤　　　维和树脂问良好的界面黏结可均匀有效地传递载荷，　　　　　　　　　　提高复合材料的界面强度Ｉ２］。芳纶纤维具有刚性对称　　　性结构，表面结晶度高、化学惰性大，它与树脂复合时　　　　　　　　　　　　　　　两相界面较弱。因此，研究芳纶纤维表面特性及其与　　复合材料界面性能的规律，提高芳纶增强复合材料的　　性能，成为该类复合材料的研究热点之一ｌ＿３ｊ。　　　　　　　　　　纤维表面能可影响纤维与树脂间浸润和黏结等界　　面性能，是评价纤维的一个重要物理参数。纤维表面　　　　　　　　　　　　　　　能中包括色散分量和极性分量的贡献，分别称为色散　　　　　　　　　　　　表面能和极性表面能，反映分子不同类型的作用力，与　　　　　　　　　　　　　　　　纤维表面化学状态密切相关，可综合反映纤维表面性　　　　　　　　　　　　　　　质。常用测试纤维表面能的方法是接触角法，通过测　　　试纤维单丝与各种已知性质的小分子的接触角来计　　　　　算，但由于芳纶纤维易卷曲，采用该方法实验误差很　　　　大，重复性和可靠性较差。反气相色谱（ＩｎｖｅｒｓｅＧａｓ　　　　　　　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，ＩＧＣ）是近年来发展的一种测试纤维　　　表面能的新方法，基于成熟的气相色谱技术，把纤维束　　　　　　　　　　　　　　　作为固定相，通过测试已知性质的低分子溶剂探针与　　　固定相的保留时间，根据热力学理论来计算纤维的表　　　　　　　　　　　　　　　面能］。ＩＧＣ测试的可操作性强、数据可靠性高、重　　　　　芳纶纤维表面分析及其对双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能的影响　５７　　　　　　　　　　　　和由纤维表面粗糙度引起的机械啮合作用对树脂与纤　　　　　　　　　　　　　　　维界面剪切强度有较大贡献。由图２可知Ｋ１和Ｋ２　　　　　　　　　　　　　芳纶纤维表面均比较光滑，粗糙程度相差不大，所以纤　　　　　　　　　　　　　维表面特性的差异是引起上述纤维界面性能不同的主　　　　　　要原因。由图１可知，Ｋ１纤维的极性表面能高于Ｋ２　　　　　　　　　　　　　纤维，说明Ｋ１纤维更易于与树脂发生化学反应，化学　　　　　　　　　　　　　　　　键合作用会提高界面性能，但这与上述界面剪切强度　　　　　　　　　　　　表征结果规律有所差异。表面能是通过分子间各种作　　　　　　　　　　　　　用能的加和而得，是纤维表面综合性质的反映，应进一　　　　　　　　　　　　步研究纤维和树脂表面能的匹配性对复合材料界面性　　—　　　　　　　　　能的影响。ＧｏｏｄＧｉｒｉｆａｌｃｏ提出的相互作用参数ｐ可　　　　　　　　　　　以用来表征两相问极性匹配性关系］，其中：　　Ｉ，—　————　７　　　　　　　一，一ｚ）＋（ｚ）１／。（３）　　Ｗ　　Ｗ　／　ｋ．ｘ．１　　　（。】・　　０２）。　山　　　。、山山　ｕ　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中：Ｗ以为两相之间的黏附功；Ｗ和ｗ。为两相内　　　　　　　　　　　部的内聚功；ｚ为表面能（ｙ）中色散分量（ｙｄ）和极性分　　　　　　量（ｙ）所占比例，且Ｘｄ一７６　，　ｓ一　，　　　　且．ｚ－ｄ＋ｘｓＰ一１　（４）　ｙ　），　　　　…　　当两相极性相同时，有最大值一１，随着两　　　　　　　　　　　　相间极性差异的增大，将随之减小。　　　　采用１ＧＣ测试了５４０５树脂的表面能，其极性表面　　　　　　　　能为６．５１ｍＪ／ｍ，色散表面能为３８．２８ｍＪ／ｍｇ，总表面能　　　　则为４４．７９ｒｎＪ／ｍ２。根据式（３）计算得到Ｋ１和Ｋ２芳纶　　　　　　　　纤维与５４０５树脂的相互作用参数，如图５所示。　　　　图５芳纶复合材料界面剪切强度与相互作用参数的关系　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．５ＴｈｅＩＩＳＳａｎｄｏｆｔｈｅａｒａｍｉｄｆｉｂｅｒ　　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　　　　　　Ｋ１纤维与５４０５树脂的相互作用参数为０．９８０８，　　　Ｋ２纤维与５４０５树脂的相互作用参数为０．９９９７，说明　　　　　　　　　　　　　　　　Ｋ２纤维与５４０５树脂的匹配性优于Ｋ１纤维，其界面　　　　　　强度亦高于Ｋ１纤维。以上实验说明随着复合材料　　　　　　　　　中纤维和树脂两相间的相互作用参数增大，匹配性　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　提高，界面性能亦有所优化。由于复合材料成型过　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　程中影响因素较多，对于芳纶纤维表面特性与复合　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　材料界面性能的关系需要进一步积累数据并深入　　　研究。　　　　３结论　　　　　　　　　（１）ＩＧＣ成功应用于测试芳纶纤维的表面能，结果　　　　　　　　　　　　发现Ｋ１和Ｋ２芳纶纤维的总表面能基本相当，但其极　　　　　　　　　　　　　　　　性表面能和色散表面能分量存在较大差异，这也是导　　　　　　　　　　致其与树脂界面性能不同的主要原因。　　　　　　　　　　（２）层间剪切强度测试表明Ｋ２／５４０５复合材料的　　　　　　　　　　　　　　　界面强度高于Ｋ１／５４０５复合材料。与层剪测试结果　　　　　　　　　　　　规律一致，Ｋ１芳纶复合材料断口形貌呈现出明显的界　　　　　　　　　　　面损伤模式，Ｋ２芳纶复合材料则呈现出树脂基体破坏　　模式。—　　　　　　　（３）ＧｏｏｄＧｉｒｉｆａｌｃｏ相互作用参数被用来表征芳纶　　　　　　　　　　　　　　　纤维和树脂两相间表面能的匹配性关系，结果发现复　　　合材料中两相间的相互作用参数增大，匹配性提高，界　　　　　　面性能亦有所提高。　　　　参考文献　　　　　　　—　Ｅｌｉ陈祥宝．高性能树脂基体ＥＭ］．北京：化学工业出版社，１９９９．２５　２８．　　—　—　　　　［２］ＺＨＡＮＧＢａｏｙａｎ，ＣＨＥＮＸｉａｎｇｂａｏ，ＩＩＰｉｎｇ．Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄ　　　　　　　　　ｈｏｔ／ｗｅｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｎｏｖｅｌｍｏｄｉｆｉｅｄＢＭＩ／ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓ　　　　　ｉｔｅｓ［－Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，２２—　　（１）：１７１８．　　　　　　　　　　　　　　　［３］刘丽，张翔，黄玉东，等．超声作用对芳纶纤维表面性质的影响　—　ＥＪ］．复合材料学报，２００３，２０（２）：３５４０．　　　　　　　Ｅ４］袁海根，王汝敏，艾涛．表面处理对Ｋｅｖｌａｒ纤维复合材料界面结　　　　　—　合强度的影响Ｉ－Ｊ］．化学推进剂与高分子材料，２００５，３（５）：３８　４１．　　　—　—　—　　　Ｅｓ］ＳＨＩＦｅｎｇｈｕｉ，ＤＡＩＺｈｉｓｈｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧＢａｏｙａｎ．Ｎｅｗａｐ　　　　　　　　　ｐｒｏａｃｈｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒ　　　　　　　—　ｏｆｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｂｙｉｎｖｅｒｓｅｇａｓｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒ　　—　　ｎａｌｏｆＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，２０１０，２８（７）：６９７７０１．　　　　　　　　　　Ｅ６］ＢＡＴＫＯＫ，ＶＯＥＬＫＥＬＡ．Ｉｎｖｅｒｓｅｇａｓｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙａｓａｔｏｏｌ　　　　　　　—　ｆｏｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｌｌｏｉｄａｎｄＩｎ　—　　ｔｅｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００７，３１５（２）：７６８７７１．　　　　　　　　　　　　［７３ＳＣＨＵＬＴＺｊ，ＩＡＶＩＥＩＬＥＬ，ＭＡＲＴＩＮＣ．Ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒ　　　　　　　ｆａｃｅｉｎｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅ－ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｈｅｓｉｏｎ，—　　１９８７，２３（２）：４５６０．　　　　　　　［８］ｗｕｓ．高聚物界面与粘合ＥＭ］．潘强余，吴敦汉，译．北京：纺织　　　—　　工业出版社，１９８７．３５４３５５．　　—　　—　收稿日期：２０１１－０７２６；修订日期：２Ｏ１２一Ｏ６２１　　　　　　　　　　作者简介：蒋诗才（１９７３一）。男，博士，高工，主要从事复合材料方面研　　　　　　——　究工作，联系地址：北京８１信箱１２分箱（１０００９５），Ｅｍａｉｌ：ｉｍｊＰｙａｎｇ＠１６３．ｃｏｒ　ｎ