复合材料的界面处理技术[1].ppt
《复合材料的界面处理技术[1].ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《复合材料的界面处理技术[1].ppt(56页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、6 6 复合材料的界面处理技术复合材料的界面处理技术 为为了了获获得得好好的的界界面面粘粘结结,通通常常要要对对增增强强材材料料的的表表面面进进行行有有针针对对性性的的处处理理,以以改改善善其其表表面面性性能能,获获得得与与基基体体的良好界面粘结。的良好界面粘结。6.1 6.1 增强材料的增强材料的表面处理技术表面处理技术 6.1.1 6.1.1 玻璃纤维玻璃纤维的表面处理的表面处理 6.1.1.1 6.1.1.1 玻璃纤维表面处理的目的和意义玻璃纤维表面处理的目的和意义玻璃纤维表面处理的目的和意义玻璃纤维表面处理的目的和意义 所所谓谓表表面面处处理理,就就是是在在增增强强体体表表面面涂涂覆覆
2、上上一一种种称称为为表表面面处处理理剂剂的的物物质质,这这种种表表面面处处理理剂剂包包括括浸浸润润剂剂及及一一系系列列偶偶联联剂剂和和助助剂剂等等物物质质,它它有有利利于于增增强强体体与与基基体体间间形形成成一一个个良良好好的的粘粘结结界界面面,从从而而达达到到提提高高复复合合材材料料各各种种性性能能的目的。的目的。图图6.1 6.1 自然环境曝晒后的强度影响自然环境曝晒后的强度影响1 1沃兰处理;沃兰处理;2 2A A151151处理;处理;3 3A A172172处理;处理;4 4未处理未处理图图6.2 6.2 人工气候加速老化后的强度影响人工气候加速老化后的强度影响1 1沃兰处理;沃兰处
3、理;2 2A A151151处理;处理;3 3A A172172处理;处理;4 4未处理未处理6.1.1.2 6.1.1.2 偶联剂及其作用机理偶联剂及其作用机理 偶偶联联剂剂是是这这样样的的一一类类化化合合物物,它它们们的的分分子子两两端端通通常常含含有有性性质质不不同同的的基基团团,一一端端的的基基团团与与增增强强体体表表面面发发生生化化学学作作用用或或物物理理作作用用,另另一一端端的的基基团团则则能能和和基基体体发发生生化化学学作作用用或或物物理理作作用用,从从而而使使增增强强体体和和基基体体很很好好地地偶偶联联起起来来,获获得得良良好好的的界界面面粘粘结结,改改善善了了多多方方面面的的
4、性性能能,并并有有效效地地抵抗了水的侵蚀。抵抗了水的侵蚀。按按化化学学组组成成,偶偶联联剂剂主主要要可可分分为为有有机机铬铬和和有有机机硅硅两两大类,此外还有钛酸酯等。大类,此外还有钛酸酯等。何为偶联剂?(1)(1)有机酸氯化铬络合物类偶联剂有机酸氯化铬络合物类偶联剂 有机酸氯化铬络合物简称铬络合物,这类络合物有机酸氯化铬络合物简称铬络合物,这类络合物通常是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得。通常是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得。2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O这类铬络合物无水时的结构式为:这类铬络合物无水时的结构式为:沃兰沃兰(Vo1an)(Vo1an),结构式为
5、,结构式为 :沃兰是一种有机酸铬络合物,它通常配成水、异丙醇沃兰是一种有机酸铬络合物,它通常配成水、异丙醇或丙酮的溶液,该溶液是酸性的,一般是暗绿色,常用的或丙酮的溶液,该溶液是酸性的,一般是暗绿色,常用的是它的水溶液。是它的水溶液。沃兰处理剂与玻纤表面的作用可用如下过程表示:沃兰处理剂与玻纤表面的作用可用如下过程表示:(2)(2)有机硅烷类偶联剂有机硅烷类偶联剂 有有机机硅硅烷烷是是一一类类品品种种很很多多,效效果果也也很很显显著著的的表表面面处处理理剂,其一般结构通式为:剂,其一般结构通式为:R Rn nSiXSiX4-n4-n X X基团与玻璃纤维表面的作用机理:基团与玻璃纤维表面的作用
6、机理:硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历四个阶段:硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历四个阶段:开始时在偶联剂开始时在偶联剂SiSi上的三个不稳定的上的三个不稳定的x x基团发生水解;基团发生水解;随后缩合成低聚体;随后缩合成低聚体;这些低聚体与基质表面上的这些低聚体与基质表面上的-OHOH形成氢键形成氢键;最最后后在在干干燥燥或或固固化化过过程程中中与与基基质质表表面面形形成成共共价价键键并并伴随着少量的水。伴随着少量的水。R R为为有有机机基基团团,是是可可与与合合成成树树脂脂作作用用形形成成化化学学键键的的活活性性基基团团,如如不不饱饱和和双双键键、环氧基、氨基等;环氧基、氨基等;X X为为易易水
7、水解解的的基基团团,如如甲甲氧氧基基、乙氧基等。乙氧基等。n n1 1,2 2,3 3 绝绝大多数大多数n n1 1R R基团与树脂基体的作用机理:基团与树脂基体的作用机理:以以R R基基团团为为乙乙烯烯基基CHCHCHCH2 2与与不不饱饱和和聚聚酯酯树树脂脂中中的的不不饱饱和双键的反应为例:和双键的反应为例:(3)(3)新品种硅烷偶联剂新品种硅烷偶联剂 硅烷偶联剂是偶联剂中最重要的一大类型,除了目前已广泛硅烷偶联剂是偶联剂中最重要的一大类型,除了目前已广泛应用的几十种外,近来又开发了许多新的品种,下面介绍主应用的几十种外,近来又开发了许多新的品种,下面介绍主要的几个品种。要的几个品种。耐高
8、温型耐高温型硅烷偶联剂硅烷偶联剂 过氧化物型过氧化物型硅烷偶联剂硅烷偶联剂 特特点点:一一是是偶偶联联作作用用的的获获得得是是通通过过过过氧氧化化物物热热裂裂解解,而而不不是是通通过过烷烷氧氧基基团团的的水水解解;二二是是偶偶联联作作用用不不局局限限于于玻玻璃璃纤纤维维增增强强塑塑料料,而而是是适适用用于于一一大大类类相相似似或或不不相相似似物物质质之间的偶联。之间的偶联。阳离子型阳离子型硅烷偶联剂硅烷偶联剂 阳阳离离子子硅硅烷烷,除除了了具具有有一一般般水水解解型型硅硅烷烷的的性性质质外外,还还同同时时具具有有阳阳离离子子表表面面活活性性剂剂的的作作用用,可可改改善善无无机机物物在在树脂中的
9、分散性。树脂中的分散性。水溶性水溶性硅烷偶联剂硅烷偶联剂 其化学名称为二聚氮什酰胺基三甲氧基硅烷。它是一其化学名称为二聚氮什酰胺基三甲氧基硅烷。它是一种水溶性偶联剂,在分子主链上含有硅氧烷功能基团和氨种水溶性偶联剂,在分子主链上含有硅氧烷功能基团和氨基反应活性基团,其效果与基反应活性基团,其效果与A-A-偶联剂相当。偶联剂相当。叠氮型叠氮型硅烷偶联剂硅烷偶联剂 6 6.1 1.1 1.3 3 偶联剂的品种及其应用范围偶联剂的品种及其应用范围 偶偶联联剂剂能能有有效效地地提提高高玻玻璃璃纤纤维维与与树树脂脂基基体体的的粘粘结结强强度度,所所以以,国国内内外外都都进进行行了了大大量量的的研研究究工
10、工作作。目目前前国国内内生生产产的的常常用用偶偶联联剂剂有有沃沃兰兰、A A151151、KHKH550550、KHKH560560、NDND4242、B B201201、B B202202等等。经经每每种种偶偶联联剂剂处处理理后后的的玻玻璃璃纤纤维维,都都有自己相应的树脂基体适用范围。有自己相应的树脂基体适用范围。EgEg:1)1)、KHKH570570对不饱和聚配树脂处理效果最好;对不饱和聚配树脂处理效果最好;2 2)、A A151151、A A172172对对1 1,2 2聚聚丁丁二二烯烯树树脂脂和和丁丁苯苯树树脂脂最有效;最有效;3 3)、)、KHKH560560对环氧树脂最好;对环氧
11、树脂最好;4 4)、)、KHKH550550对酚醛树脂、聚酰亚胺效果最好;对酚醛树脂、聚酰亚胺效果最好;5 5)、沃沃兰兰处处理理的的玻玻璃璃纤纤维维对对大大部部分分树树脂脂都都有有较较好好效效果果,且价格便宜,是一种最常用的偶联剂。且价格便宜,是一种最常用的偶联剂。6.1.1.4 6.1.1.4 玻璃纤维表面处理方法及影响因素玻璃纤维表面处理方法及影响因素 (1)玻璃纤维表面处理方法玻璃纤维表面处理方法 后处理法后处理法 前处理法前处理法 迁移法迁移法 处处理理意意义义:我我们们知知道道复复合合材材料料的的性性能能不不仅仅与与树树脂脂、纤纤维维的的性性质质与与含含量量有有关关,而而且且在在很
12、很大大程程度度上上取取决决于于二二者者的的结结合合状状况况。表表面面处处理理(包包含含界界面面处处理理),就就是是在在玻玻璃璃纤纤维维表表面面涂涂一一层层叫叫做做“表表面面处处理理剂剂”的的物物质质,使使纤纤维维与与树树脂脂能能牢牢固固地地结结合合,以以达达到到提提高高玻玻璃璃钢钢性性能能的的目的。目的。后处理法:后处理法:使用纺织型浸润剂的玻璃纤维及制品,在使用前原则使用纺织型浸润剂的玻璃纤维及制品,在使用前原则上都采用此法处理。目前普遍采用的一种方法。上都采用此法处理。目前普遍采用的一种方法。处理方法:分两步:(对于处理方法:分两步:(对于“纺织型浸润剂纺织型浸润剂”)首先首先除去浸润剂除
13、去浸润剂.a a、洗涤法、洗涤法:在皂水或有机溶液中清洗,然后烘干。在皂水或有机溶液中清洗,然后烘干。b b、热处理法:(、热处理法:(250250450450)1h1h。第二步第二步用表面处理剂处理(要求产品质量较高时),用表面处理剂处理(要求产品质量较高时),处理步骤为处理步骤为:浸渍水洗烘干浸渍水洗烘干 前处理法前处理法 是适当改变浸润剂配方,使之既能满足拉丝、退并、是适当改变浸润剂配方,使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求,又不妨碍树脂基体对玻璃纤维的浸纺织各道工序的要求,又不妨碍树脂基体对玻璃纤维的浸润和粘结。将偶联剂加入到上述的浸润剂中,在拉丝过程润和粘结。将偶联剂加入到上述
14、的浸润剂中,在拉丝过程中表面处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。中表面处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。用这种被覆了增强型浸润剂的纤维织成的玻璃布称为用这种被覆了增强型浸润剂的纤维织成的玻璃布称为前处理布。前处理布。与后处理法比较与后处理法比较 :1 1)、不需再做任何处理而可以直接应用)、不需再做任何处理而可以直接应用 ;2 2)、可省去复杂的处理工艺及设备,使用方便)、可省去复杂的处理工艺及设备,使用方便 ;3 3)、避免了因热处理而造成的纤维强度损失,是比较)、避免了因热处理而造成的纤维强度损失,是比较理想的处理方法;理想的处理方法;缺点:缺点:既要有处理效果,又要同时满足纺织工艺,和树脂基既要有
15、处理效果,又要同时满足纺织工艺,和树脂基体要有良好的浸润以及满足制作玻璃钢各道工序的要求,体要有良好的浸润以及满足制作玻璃钢各道工序的要求,是一个比较复杂的综合技术问题。是一个比较复杂的综合技术问题。迁移法迁移法 将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体掺和,在将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体掺和,在浸胶的同时将偶联剂施于玻璃纤维上,借处理剂从树脂胶液浸胶的同时将偶联剂施于玻璃纤维上,借处理剂从树脂胶液中到纤维表面的中到纤维表面的“迁移迁移”作用而与纤维表面发生反应,从而作用而与纤维表面发生反应,从而在树脂固化过程中产生偶联作用。在树脂固化过程中产生偶联作用。迁移法常与前处理法结合使用
16、。迁移法常与前处理法结合使用。迁移法比较适用于填料与树脂不便于分开的体系迁移法比较适用于填料与树脂不便于分开的体系.一般来说,迁移法处理的效果较前两种方法一般来说,迁移法处理的效果较前两种方法稍差稍差 优点优点:工艺操作简便,不需要庞杂的处理设备,能源消耗也工艺操作简便,不需要庞杂的处理设备,能源消耗也大大降低。大大降低。(2)偶联剂用量及影响处理效果的因素偶联剂用量及影响处理效果的因素偶联剂用量偶联剂用量 起起偶偶联联作作用用的的是是微微量量的的偶偶联联剂剂单单分分子子层层,每每种种偶偶联联剂的实际最佳用量,多数要从实验中确定剂的实际最佳用量,多数要从实验中确定。Eg:KH560作为迁移法用
17、偶联剂,其用量一般为作为迁移法用偶联剂,其用量一般为1;注意:偶联剂用量也可采用计算法求得注意:偶联剂用量也可采用计算法求得:计算方法:计算方法:100g给给定定被被处处理理的的增增强强材材料料的的表表面面积积,被被1g硅硅烷烷偶偶联联剂剂的的最最小小涂涂覆覆面面积积所所除除,即即得得该该硅硅烷烷偶偶联联剂剂在在100g此此种被处理材料上涂覆一单分子层时所需要的量。种被处理材料上涂覆一单分子层时所需要的量。例例如如:欲欲处处理理材材料料的的比比表表面面为为7m2/g。由由表表6.3查查得得KH560偶偶联联剂剂的的最最小小涂涂覆覆比比表表面面为为330m2/g,欲欲处处理理该该材料材料100g
18、,则所需偶联剂量为:,则所需偶联剂量为:1007/330=2.1(g)一般来说,偶联剂的实际用量应高于上述的计算用量。一般来说,偶联剂的实际用量应高于上述的计算用量。影响处理效果的因素影响处理效果的因素 Eg:KH560对对玻玻纤纤布布进进行行处处理理时时,前前处处理理法法得得到到的的玻玻璃璃纤纤维维布布和和用用迁迁移移法法对对布布进进行行处处理理的的效效果果一一样样,但但用用后处理法时,处理效果就不十分明显后处理法时,处理效果就不十分明显。烘焙温度的选择烘焙温度的选择:烘烘焙焙温温度度是是使使偶偶联联剂剂与与玻玻璃璃纤纤维维表表面面发发生生偶偶联联作作用用的的关键因素之一关键因素之一,温度不
19、能过低,也不能过高。,温度不能过低,也不能过高。Eg:用用沃沃兰兰偶偶联联剂剂,采采用用的的预预烘烘条条件件为为80经经3min后后再在再在140160下烘焙。下烘焙。用用KH550处处理理时时,预预烘烘条条件件相相同同,烘烘焙焙温温度度则则为为180。烘焙时间的选择:烘焙时间的选择:烘烘焙焙时时间间应应选选择择在在一一定定烘烘焙焙温温度度下下偶偶联联剂剂与与玻玻璃璃纤纤维维表面的偶联反应能充分进行表面的偶联反应能充分进行。Eg:用沃兰处理时,一般时间为:用沃兰处理时,一般时间为715min,用用KH550处理时,在处理时,在10min左右。左右。为提高生产效率应该采用高温短时间的烘焙制度。为
20、提高生产效率应该采用高温短时间的烘焙制度。处理液的配制及使用对处理效果的影响处理液的配制及使用对处理效果的影响:处处理理液液的的配配制制及及使使用用,直直接接影影响响着着处处理理效效果果,特特别别应应严格控制处理液的严格控制处理液的pH值。值。在整个处理过程中,对处理液的在整个处理过程中,对处理液的pH值应不断调节值应不断调节。Eg:沃沃兰兰处处理理液液配配制制时时应应在在搅搅拌拌下下慢慢慢慢滴滴加加浓浓度度为为5的的氨氨水水,调调节节pH值值到到56之之间间,配配好好的的处处理理液液再再放放置置约约8h,待,待PH值稳定后再用。沃兰处理液浓度一般为值稳定后再用。沃兰处理液浓度一般为13。6.
21、1.2碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理6.1.2.1 碳纤维表面处理的碳纤维表面处理的目的和意义目的和意义 碳碳纤纤维维的的表表面面处处理理就就是是为为了了改改善善其其表表面面结结构构和和性性能能,采采取取针针对对性性的的措措施施,使使之之获获得得与与基基体体材材料料很很好好地地粘粘结结,从从而而达达到到提提高高其其复复合合材材料料层层间间剪剪切切强强度度、断断裂裂韧韧性性、尺尺寸寸稳稳定性及界面的抗湿性。定性及界面的抗湿性。6.1.2.2 碳纤维表面处理的碳纤维表面处理的方法及作用效果方法及作用效果处理机理:处理机理:清清除除碳碳纤纤维维表表面面杂杂质质,在在碳碳纤纤维维表表面面刻刻蚀蚀沟沟
22、槽槽或或形形成成微微孔孔以以增增大大表表面面积积,从从类类似似石石墨墨层层面面改改性性成成碳碳状状结结构构以以增增加加碳碳纤纤维维表表面面能能,或或者者引引入入具具有有极极性性或或反反应应性性的的官官能能团团以以形成与树脂起作用的中间层。形成与树脂起作用的中间层。(1)表面浸涂有机化合物表面浸涂有机化合物 将将碳碳纤纤维维像像纺纺织织中中的的浆浆纱纱一一样样,使使与与含含有有反反应应性性端端基基的的树树脂脂相相接接触触,如如将将羟羟端端基基的的丁丁二二烯烯丙丙烯烯酸酸共共聚聚物物、硫硫醇醇基基的的丁丁二二烯烯丙丙烯烯酸酸共共聚聚物物、聚聚缩缩水水甘甘油油醚醚或或脂脂环环族环氧化合物等涂覆于纤维
23、表面。族环氧化合物等涂覆于纤维表面。也也可可浸浸涂涂异异氰氰酸酸酯酯或或有有机机金金属属化化合合物物等等以以改改善善其其界界面粘结性。面粘结性。(2)表面涂覆无机化合物表面涂覆无机化合物 表面上沉积无定形碳表面上沉积无定形碳 方方法法:一一是是在在电电阻阻炉炉中中加加热热到到1200,然然后后与与甲甲烷烷氮氮混混合合气气体体相相接接触触,使使甲甲烷烷在在热热碳碳纤纤维维表表面面分分解解,以以形形成成无无定定形形碳碳涂涂层层。另另一一种种方方法法是是先先浸浸涂涂聚聚喹喹?溶溶液液,再经过干燥后,于再经过干燥后,于1600下裂解后得到碳纤维。下裂解后得到碳纤维。加涂碳化物加涂碳化物涂敷于碳纤维上的
24、碳化物主要有如下几种:涂敷于碳纤维上的碳化物主要有如下几种:1)、用化学气相沉积)、用化学气相沉积(CVD)的方法加涂碳化硅;的方法加涂碳化硅;将碳纤维在高温下与四氯化硅将碳纤维在高温下与四氯化硅氢混合气体相接触。氢混合气体相接触。2)、加涂碳化硼)、加涂碳化硼;将碳纤维在高温下与三氯化硼将碳纤维在高温下与三氯化硼氢混合气体相接触。氢混合气体相接触。3)、加涂碳化铬;)、加涂碳化铬;先先使使每每克克碳碳纤纤维维吸吸附附0.8m1左左右右的的醋醋酸酸铬铬溶溶液液,然然后后在在120下下干干燥燥,再再在在1200电电阻阻炉炉中中停停留留15-20s,以以便便分解成碳化铬的化合物沉积于碳纤维表面。分
25、解成碳化铬的化合物沉积于碳纤维表面。4)、涂卤化金属或硼氮化合物等。)、涂卤化金属或硼氮化合物等。(3)表面化学处理表面化学处理酸处理酸处理 碳碳纤纤维维经经氢氢溴溴酸酸或或氢氢碘碘酸酸处处理理后后,可可提提高高纤纤维维的的导导热热性性和和结结晶晶性性,经经强强氧氧化化性性酸酸如如发发烟烟硝硝酸酸或或发发烟烟硫硫酸酸等等处处理理后后,使使表表面面氧氧化化,降降低低了了导导热热和和导导电电性性,尤尤其其适适宜宜作作消消融融性材料。性材料。注注意意:已已被被逐逐渐渐淘淘汰汰而而改改用用氧氧或或臭臭氧氧及及潮潮湿湿空空气气氧氧化化的的方方法。法。臭氧氧化法臭氧氧化法 臭氧的产生可用无声放电和光化学反
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 复合材料 界面 处理 技术
限制150内