NiTi纤维表面处理及其树脂基复合材料的界面特性.pdf

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1、第 15卷?第 3期2 0 0 7年 6月?材?料?科?学?与?工?艺MATERI ALS SCIENCE&TECHNOLOGY?Vo l?15 N o?3Jun.,2007?NiTi纤维表面处理及其树脂基复合材料的界面特性杨秀英,张德庆,祁?磊,孙洪山,王少君(齐齐哈尔大学 化工学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)摘?要:N i T i纤维表面呈惰性,表面能低,N i T i纤维与树脂间界面粘结性差.为了提高界面性能,采用硅烷偶联剂、表面涂层和低温冷等离子体技术等方法对 N iTi纤维表面进行处理,改善纤维表面的浸润性,达到纤维与树脂界面良好的粘结.对复合材料进行界面剪切强度的测定,并利用

2、扫描电镜观察拔脱纤维表面形貌的变化.研究表明:N i T i纤维经不同方法处理后,纤维的浸润性和界面的粘结强度均有不同程度的改变,其中冷等离子体处理的纤维再经硅烷处理,其复合材料 IFSS提高 2?94倍,ILSS提高 1?45倍,且纤维与树脂粘合较好.关键词:N i T i合金纤维;表面处理;树脂基复合材料中图分类号:TB332;TQ31文献标识码:A文章编号:1005-0299(2007)03-0347-03NiTi fiber surface treat ment and the interfacial property ofN iTi fiber resin matrix compos

3、itesYANG Xiu?ying,ZHANG De?qing,QI Le,i S UN H ong?shan,WANG Shao?jun(College ofChemicalEngineering,Q iqihar University,Q iqihar 161006,China)Abstract:Because of NiT i fiber inertia surface and low surface energy,the adhesion between fiber and resinmatrix wasweak.In order to enhance interface perfor

4、 mance,the surface treat ment ofN i T i fiberwas conductedby using silicon coupling agen,t superficial coating and the low?te mperature cold plasma etc.These treat mentsi mprovewettability of fiber surface and enhance adhesion strength between fiber and resinm atrix.The shearingstrength wasmeasured,

5、and changes of the appearance of the pulling out fiber surfacewere observed by SEM.The experi mental results indicated that different changes ofwettability and adhesion strength were generated af?ter treatments of the NiT i fiber by different methods.IFSS and ILSS of the composite which was prepared

6、 bysilicon coupling agent after treated w ith low?temperature cold plasma increased 2?94 and 1?45 ti mes respec?tively.F iber and resin was bonded well in SEM pictures.Key words:N i T i alloy fiber;surface treat men;t resinmatrix composites收稿日期:2006-11-10.基金项目:黑龙江省骨干教师创新计划资助项目(1053G012).作者简介:杨秀英(196

7、2-),女,副教授.联 系 人:张德庆,E?mai:l zhdqing .?复合材料的界面在材料使用过程中起着传递载荷的作用,对复合材料的性能有较大影响.为使复合材料在使用过程中发挥其优良性能,必须对纤维的表面进行适当的处理以提高其界面强度.N i T i合金纤维因其良好的形状记忆效应和超弹性等特性而得到越来越多的应用.目前,针对 N i T i纤维增 强复 合材 料的界 面问 题研 究报道 很少 1 3.硅烷偶联剂是在分子中同时具有两种不同反应性基团的有机硅化合物,可以形成无机相硅烷偶联剂与有机相的结合层,从而使聚合物与无机材料界面间获得较好的粘接强度.研究表明 4,5:硅烷特殊的结构特征决

8、定了它可以与金属形成 Si-O-M e(M e表示金属)化学结合键,从而可以提高纤维与基体的化学结合力.等离子体处理技术可以对纤维表面改性,增强它的浸润性从而提高粘结强度 6.本文采用硅烷偶联剂和空气冷等离子体等对 NiT i合金纤维表面进行处理,研究了表面处理方法对其树脂基复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度的影响,并对拔脱纤维表面形貌进行表征.1?实?验1?1?主要实验材料N i T i合金纤维直径为 0?07mm(T i原子分数为 49?2%);E51型改性环氧树脂及固化剂 蓝星化工新材料股份有限公司;硅烷偶联剂 KH-560(上海产),三苯甲烷三异氰酸酯(上海产),丙酮等.1?2?主要

9、仪器及设备电子万能实验机(WS M-20),单丝纤维拔出实验仪(自制),超声波清洗机(KQ-570),等离子体电源(RF500-B),扫描电子显微镜(S-4700).1?3?试样的制备及性能测试1?3?1?纤维表面预处理将 NiT i合金纤维放入丙酮中进行超声波表面清洗,自然晾干后用如下几种方法处理.1)硝酸处理:将纤维浸入浓硝酸中处理一段时间,取出后清洗,晾干待用.2)三苯甲烷三异氰酸酯涂层:将纤维浸入三苯甲烷三异氰酸酯中处理一段时间取出待用.3)环氧树脂涂层:将环氧树脂与丙酮混合成适当浓度的溶液,取经清洗的纤维浸于其中一定时间取出待用.4)空气冷等离子体表面处理:将纤维固定在玻璃框架上,经

10、空气冷等离子体处理一定时间,取出纤维待用.5)硅烷偶联剂处理:配制不同浓度的硅烷偶联剂,将纤维浸入其中适当时间后取出待用.1?3?2?试样的制备将环氧树脂在烘箱中 40?预热 30m in,同时将纤维固定于模具上,待环氧树脂粘度下降后取一定量与固化剂以 2 1(质量比)的比例混合均匀,加热以除去气泡,浇入模具上,置于室温固化24 h后进行测试.1?3?3?性能测试1)界面剪切强度(IFSS)测定 7采用自制的单纤维拔出实验仪,持续增加非常小的力对纤维进行拉伸,将纤维从树脂基体中拔出,记录纤维脱粘瞬间的力(Fd),测出埋入纤维的长度!和纤维直径 2r,计算出纤维的脱粘力(?),即界面剪切强度.2

11、)层间剪切强度(ILSS)实验参照国标 GB/T 3357-82单向纤维增强塑料拉伸性能试验方法#进行性能测试.测试仪器为 微 机 控 制 电 子 万 能 试 验 机,加 载 速 率2 mm/m in,跨距 14 mm,剪切试样每组 5条,取平均值.3)纤维表面形貌观察采用 S-4700扫描电子显微镜对拔出纤维表面形貌进行表征.2?结果与讨论2?1?不同表面处理方法对 IFSS的影响图 1、2为 NiT i纤维经过硝酸、三苯甲烷三异氰酸酯涂层、空气冷等离子体处理对其环氧树脂复合材料的 IFSS影响.图 1?硝酸表面处理对 IFSS影响图 2?表面处理时间对 IFSS影响?由图 1可见,采用浓硝

12、酸对 Ni T i纤维表面处理 1 h后 IFSS由 2?25MPa提高到 4?5MPa.浓硝酸对 NiT i纤维表面进行适当处理,一方面使纤维表面粗糙度增加,增大了纤维与基体的啮合,除去了弱界面层,增加了纤维/基体间的接触面积;另一方面提高了纤维的表面能,使树脂更有效地润湿纤维.在图 2中,经三苯甲烷三异氰酸酯处理,IFSS可提高到 5?25MPa,处理时间对 IFSS 的影响不明显;空气冷等离子体处理纤维,IFSS提高到 4?5MPa.三苯甲烷三异氰酸酯分子结构中含有异氰酸酯基,与金属表面和环氧树脂有很好的反应能力,使其复合材料界面粘结牢固.空气冷等离子体是物质存在的一种基本形态,由电子、

13、原348材?料?科?学?与?工?艺?第 15卷?子、分子、自由基等离子和紫外线组成.当用等离子体轰击纤维表面时,会在其表面引起链裂解、刻蚀,使纤维表面粗糙化,并引入新基团.但处理时间过长对纤维的表面刻蚀严重,产生表面剥离现象,导致 IFSS逐渐降低.采用环氧树脂涂层主要是基于它可以改变纤维表面的浸润性,涂层可以缓冲界面间的剪切力,增加纤维的拔出长度,但从表 1可以看到,环氧树脂浓度和处理时间对 IFSS影响不明显,环氧树脂涂层对提高界面剪切强度没有明显的作用.?表 1?环氧树脂涂层对 IFSS影响?(M Pa)时间/m in质量分数/%2039?3058?6702?252?252?2512?2

14、32?542?6252?222?522?57102?302?592?52302?292?552?62?对于空气冷等离子体处理和未处理的两种纤维,经过硅烷偶联剂处理时,硅烷偶联剂浓度(质量分数)对 IFSS影响见图 3.由图 3可知,硅烷溶液浓度为 5%时,冷等离子体处理的纤维再经硅烷处理其复合材料 IFSS 可提高到 6?63 MPa,纤维只经过硅烷处理的 IFSS可提高到 5?25MPa.图 3?偶联剂浓度与剪切强度的关系2?2?表面处理方法对 ILSS 影响从表 2数据可知,空气冷等离子体处理的N i T i 纤维再经硅烷处理,ILSS和 IFSS都有较大提高,IFSS提高 2?94倍,I

15、LSS提高了 1?45倍.表 2?表面处理方法对 ILSS影响表面处理方法ILSS/MPaIFSS/MPa未经处理7?9782?25等离子体处理8?9954?50等离子体+偶联剂11?5526?632?3?拔脱纤维表面形貌表征经过不同表面处理 N i T i纤维/环氧树脂复合材料的拔脱纤维表面形貌如图 4所示.由图 4可见,冷等离子体处理的纤维再经硅烷处理和三苯图 4?拔脱纤维表面形貌甲烷三异氰酸酯处理的纤维表面粘有较多的树脂,说明纤维与树脂间粘接强度较高;未处理和环氧树脂涂层处理的纤维表面树脂很少,与树脂脱(下转第 353页)349第 3期杨秀英,等:N i T i纤维表面处理及其树脂基复合

16、材料的界面特性而粘土本身是显热材料,潜热很小,所以复合后相变焓降低.但是这种具有相变性能的皂土,相对于一般的粘土,其储热性能大大改善,用于保温绝热设备或建筑上,可以大大提高保温的效率.3?结?论1)十六烷基三甲基溴化铵改性皂土,层间距由原来的 1?21 nm 最大增加到 3?89 nm,而且随十六烷基三甲基溴化铵量的增加,层间距增大.2)戊二醇可以和十六烷基三甲基溴化铵离子进行离子交换进入皂土层间.3)所得复合储能材料 NPG/Bent相变温度为56?4?,相变焓为 66?18 J/g.参考文献:1 BROWN Robert C,RASBERRY John D,SCOTT P.Over man

17、n.M icroencapsulaed phase-change materialsas heat transfermedia in gas-fluidized beds J.Pow?der Technology,1998,98:217-222.2 HADJIEVA M,STOYKOV R,FILIPOVA Tz.Compos?ite salt?hydrate concrete syste m for building energy stor?age J.Rene wable Energy,2000,19:111-115.3 XAV IER Py,SYLVAINM auran.Paraffin

18、/porous?graph?ite?matrix composite as a high and constant power ther?mal storagematerial J.International Journal ofHeatandM assTransfer,2001(44):2727-2737.4 YEHong,GE X in?sh.i Preparation of polyethylene?par?affin compound as afor m?stablesolid?liquid phasechange material J.Solar Energy M aterials&

19、SolarCells,2000,64:27-44.5 肖?敏,龚克成.良导热、形状保持相变蓄热材料的制备及性能 J.太阳能学报,2001,22(4):427-430.6 林怡辉,张正国,王世平.溶胶-凝胶法制备新型蓄能复合材料 J.太阳能学报,2001,22(3):334-337.7 武克忠,张建玲,赵惠敏.蒙脱石复合贮热材料的制备 J.矿产综合利用,2000,2:15-18.8 张?翀,陈中华,张正国.有机/无机纳米复合相变储能材料的制备 J.高分子材料科学与工程,2001,17(5):137-143.9 漆宗能,尚文宇.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践 M.北京:化学工业出版社,2

20、002.10 张寅平,胡汉平,孔祥冬,等.相变贮能-理论和应用 M.合肥:中国科学技术大学出版社,1996.(编辑?吕雪梅)(上接第 349页)粘,说明纤维与树脂间粘接强度差;冷等离子体处理增加了树脂浸润纤维的表面积,提高了浸润性,并在纤维表面引入了活性基团,增加了纤维表面与环氧树脂基体之间强相互作用活性点,从而为界面粘结性能提高提供了条件.3?结?论1)硝酸、环氧树脂涂层、三苯甲烷三异氰酸酯涂层、空气冷等离子体、硅烷偶联剂 5种表面处理方法的处理效果为三苯甲烷三异氰酸酯涂层、硅烷偶联剂 酸洗、空气冷等离子体 环氧树脂涂层;经三苯甲烷三异氰酸酯涂层或硅烷偶联剂处理,复合材料 IFSS 均由 2

21、?25 MPa 提 高到5?25MPa.2)低温等离子体预处理纤维可以改善纤维表面的浸润性,提高纤维的表面能,增加含氧基团,从而为偶联剂在纤维与树脂间形成化学键提供了条件.冷等离子体处理的纤维再经硅烷处理可使界面剪切强度提高 2?94倍,层间剪切强度提高 1?45倍.参考文献:1 JONNALAGADA K,SOTTOS N R.Shape me mory andrelated pheno mena J.Progress in M aterial Science,1992,36(4):203-224.2 PA I NE J SN,HEBDA D A.Self?accommodation in

22、mar?tensite J.Archive for RationalM echanics and Analy?sis,1992,120(5):201-244.3王 征,陶宝祺,梁大开.用形状记忆合金的强度自适应智能复合材料初探 J.实验力学,1994,9(4):293-298.4孙国钧,刘宜平,林 弛.形状记忆合金丝复合材料单层板的拉伸 J.纤维复合材料,1994(1):15-21.5龙?军,张志谦.接枝改性对 F-12纤维及其环氧复合材料力学性能影响的研究 J.材料科学与工艺,1999,7(3):46-49.6杨?俊,蔡力锋,林志勇.增强树脂用玻璃纤维的表面处理方法及其对界面的影响 J.塑料,2004,33(1):5-8.7蔡长庚,朱立新.单纤维拔出实验的有关理论与应用 J.绝缘材料,2004(3):50-57.(编辑?吕雪梅)353第 3期沈艳华,等:新戊二醇/皂土复合储能材料的制备