秦小山，馮 靜，王仁舒，張曉青

(六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州六盤水 553004)

環(huán)氧樹脂(EP)是一類分子結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)或多個(gè)環(huán)氧基團(tuán)的高分子有機(jī)化合物，因其良好粘附力在復(fù)合材料中作為基體樹脂被廣泛的應(yīng)用，是一種綜合性能十分優(yōu)異的熱固性聚合物。具有粘附力強(qiáng)、收縮性低，機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)［1－3］，在膠粘劑、儀表、輕工、建筑、機(jī)械、電子電氣、涂料、航天及先進(jìn)復(fù)合材料等領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。然而由于EP固化后存在質(zhì)脆、耐沖擊性差、容易開裂、韌性較差、強(qiáng)度有待提高等缺陷，又限制了EP的應(yīng)用范圍。

為了改進(jìn)EP的性能，業(yè)內(nèi)研究人員提出增韌改性EP方法有:加入橡膠類彈性體［4］、使用含有柔軟分子結(jié)構(gòu)的材料［5］等。但這類方法存在著不足:在改良EP韌性的同時(shí)通常會(huì)影響其耐熱性等其它性能。近年來又提出改性方法還包括化學(xué)共聚法、熱敏液晶聚合物結(jié)構(gòu)增韌法、納米材料改性法［6－9］、纖維改性法等。其中，用纖維對(duì)EP進(jìn)行改性的研究成為當(dāng)前的研究焦點(diǎn)。

1 玄武巖纖維

玄武巖連續(xù)纖維原料為玄武巖礦石，將其破碎后加入熔窖，在1450～1500℃的高溫狀態(tài)下熔融后，經(jīng)過鉑銠合金漏板拉伸等工序而形成［10］。具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、價(jià)格低廉、原料易得、低導(dǎo)熱性等多重優(yōu)良性能［11］，制造過程無危害，能直接降解為泥土，是21世紀(jì)的“綠色工業(yè)材料”。

劉建［12］等以EP為基體、玄武巖短纖維為增強(qiáng)材料，研究了幾種不同玄武巖短纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和耐磨性能的影響。得出結(jié)論，玄武巖短纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和時(shí)磨性能與純環(huán)氧樹脂相比均得到了改善，當(dāng)玄武巖短纖維的含量為8%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大;當(dāng)玄武巖短纖維的含量為6%時(shí)，磨損率最小。徐茂偉用20%重鉻酸鉀、30%濃硫酸將聚丙烯臘基連續(xù)碳纖維在100℃下氧化處理15 min后與環(huán)氧樹脂作用制成復(fù)合材料，測(cè)得其沖擊強(qiáng)度為72．05 kJ/m2，與未改性處理碳纖維填充的復(fù)合材料相比提升了101．93%［13］。

2 碳纖維

碳纖維是由黏膠、瀝青或聚丙烯腈等有機(jī)纖維在N2、稀有氣體等惰性氣體中經(jīng)1500℃高溫碳化所形成的纖維狀聚合物碳，其含碳量大于90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比模量高(抗拉、抗彎、抗扭)、電、傳熱、耐疲勞等是碳纖維的優(yōu)異性能，同時(shí)擁有超強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境能力和較強(qiáng)的抗化學(xué)藥劑腐蝕能力，被稱謂為“21世紀(jì)最有生命力新型材料”［14］。

葛鐵軍［15］等以不同含量的二乙烯三胺固化的EP為基體，制備了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。結(jié)果表明;碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有良好的耐候性、力學(xué)性能、而且還具有質(zhì)量輕、高比強(qiáng)度等一系列優(yōu)異的性能。藍(lán)承東［16］等采用硅烷偶聯(lián)劑KH－560改性短切碳纖維(CF)，并將其與聚氨酯增韌劑以及環(huán)氧樹脂復(fù)合制備了CF增強(qiáng)環(huán)氧基形狀記憶復(fù)合材料。結(jié)果表明:改性CF的加入提高了體系的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，且與CF的用量有關(guān)。錢鑫［17］等采用陽極氧化法對(duì)炭纖維的表面進(jìn)行處理，通過改變氧化程度制備具有不同表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的炭纖維，并將其作為增強(qiáng)體再制備成復(fù)合材料。研究了炭纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)其增強(qiáng)EP基復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，陽極氧化處理后炭纖維表面活性大幅提高，O、N元素含量分別由處理前的 3．10%，1．12%提高到處理后的 13．07%，5．96%。

3 玻璃纖維

玻璃纖維增強(qiáng)EP復(fù)合材料是國(guó)防科技、航天航空、建筑、交通及智能電網(wǎng)自動(dòng)化等領(lǐng)域的重要材料，具有抗疲勞性能、耐久性能、絕緣性能好和輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)。

張海寬［18］等以雙酚A型環(huán)氧樹脂E51、長(zhǎng)鏈聚醚胺固化劑D400和EWR200型玻璃纖維布制備玻璃鋼板，利用隔聲室測(cè)試隔聲性能，考察玻璃纖維布層數(shù)對(duì)隔聲性能的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)研究顯示:隨著玻璃纖維布層數(shù)的增加，隔聲性能不斷提高，變化規(guī)律復(fù)合單層均質(zhì)材料的隔聲特性曲線，吻合效應(yīng)向低頻移動(dòng)，同時(shí)減弱了阻尼控制區(qū)的共振。

以EP為基體，以玻璃纖維(GF)為增強(qiáng)體的復(fù)合料以不同的配比，分別進(jìn)行了不同溫度準(zhǔn)靜態(tài)載荷下及常溫動(dòng)態(tài)載荷下的壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明:在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下，溫度越高，試件的屈服強(qiáng)度越低，試件的彈性模量和屈服強(qiáng)度具有明顯的溫度依賴性;GF含量的增加，在一定程度上增大了試件的韌性［19］。

4 其他纖維

除了上述幾種纖維外，其他如菠蘿纖維、玉米秸稈纖維［20］、竹纖維［21］、香蕉纖維等天然纖維均能改性環(huán)氧樹脂，其中利用改性香蕉天然纖維制與環(huán)氧樹脂作用制備新型復(fù)合材料，與未改性的香蕉纖維相比，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度分別提高了 1．8、1．0、2．6 倍［22］。此外，芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度和比模量成為航空航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的先進(jìn)復(fù)合材料。郭明映［23］國(guó)等也對(duì)紫外老化對(duì)芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的影響做了研究。結(jié)果表明:在經(jīng)過紫外老化后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)變化。

5 結(jié)語

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，纖維改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究日益深入，在使用纖維改性后，環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度、抗拉伸、耐磨性等都得到了提高。但是，由于纖維材料本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、物化性質(zhì)等影響了與樹脂基體兼容性，使得纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料仍存在許多缺陷。為使纖維材料與樹脂基體能夠很好相容以及在環(huán)氧樹脂中均勻地分布，還需要探索適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)纖維材料本身進(jìn)行有機(jī)化改性。同時(shí)從纖維材料與樹脂基體相互作用的機(jī)理以及開發(fā)新型纖維都是今后纖維改性環(huán)氧樹脂的研究重點(diǎn)。