纤维增强不饱和聚酯的研究进展
时间:2005-07-02
纤维增强复合材料始于1908年，20世纪40年代玻璃纤维增强UP开始商品化。纤维增强UP具有良好的性价比，优异的加工性、力学性能和耐化学性等，在航空、汽车、印刷集成电路等领域有极为广泛的应用。随着UP改性技术的发展，纤维增强UP已逐渐成为UP改性的重点。采用纤维增强UP制备的复合材料的性能受许多因素影响，本文主要从影响材料性能的因素方面，总结了近几年来纤维增强UP复合材料的研究进展。
1、UP组成对其复合材料性能的影响
复合材料的界面结合强度是影响复合材料性能的重要参数之一。其界面结合强度与基体树脂的选择有关，并对复合材料的性能产生很大的影响。POt.K等研究了UP的组成对玻璃纤维增强UP的界面键合力强度的影响。它的影响通过UP层压板的拉伸强度来衡量。不饱和度较低和线性甘油醚的含量较高能增加UP的柔性，提高玻璃纤维的粘接力，从而增加UP的拉伸强度。当UP组成为邻苯酸酐：马来酸酐：丙二醇；二酐醇=2：1：3.2:1.98（摩尔比）．苯乙烯的含量为40wt％，固化后UP树脂的性能力：拉伸强度约为38MPa，拉伸模量约为2000MPa，断裂伸长率约为4．4％。
Yu,J.L.等研究了碳纤维增强UP／聚氨酯杂化网络复合材料、发现当加入聚氨酯的含量为20wt%时，聚酯的韧性和强度均提高。聚酯、苯乙烯、聚氨酯三者混合具有良好的相容性，在聚合反应时形成同序的互穿网络（IPN），复合材料的最终互穿网络形态结构具有单一的玻璃化转变温度。台会文等添加少量的聚氨酯与UP形成互穿网络；采用纤维增强互穿网络体系制济复合材料。研究发现；少量聚氨酯（PU）的加入有利于增强树脂与纤维之间的粘接力，使复合材料的强度提高，在PU含量为5％时出现极值。当聚氨酯的含量进一步提高时，PU分子链的增多导致了IPN相畴尺寸的变化，使原来树脂网络与纤维之间的致密结合受到影响，但同时相畴的变化引起相分离的趋势增强，树脂产生了一定的能最吸收作用，有利于吸收冲击能量；PU的含量低于5wt％时；拉伸强度基本不受PU含量的影响，大于5%时强度下降。原因在于少量的PU的加入，增加了体系的粘接力，故复合材料的拉伸强度增加，但增加的幅度不大。随PU合民的增加，互穿网络产生相分离的趋势增加，影响粘接力，拉伸强度下降。复合材料的弯曲强度影响因素复杂，在加入PU后弯曲强度变化不大。
2、增强材料类型对UP复合材料性能的影响
UP可选用不同的增强材料，如短切毡、玻纤织物、碳纤维、Kevlar织物和麻类织物。玻璃纤维增强UP是一种较早的复合材料。主要优点是价格低廉、高拉伸强度、耐化学性、极好的绝缘性等。Matias MC等利用傅立叶红外光谱（FTIR）研究了玻璃纤维对UP树脂固化行为的影响，利用两种不同的玻璃纤维和树脂制备了复合材料。NauvenHoa H等用玻璃纤维平纹布增强 UP。研究发现其强度效果好。Masud AKM等用芳酰胺短切纤维制备UP复合材料，发现复合材料的弯曲强度和能量吸收随纤维长度和含量的增加而增加。
对于天然纤维，尤其是大麻、亚麻、黄麻等具有一定的力学性能，可取代玻璃纤维来制备复合材料。其优点是价格低廉、低密度、高韧性、一定的强度性能、易分离、有较高的生物降解性等Huahes M等用植物纤维增强UP制备了大麻毡增强UP复合材料及短切玻璃纤维增强复合材料。研究发现，大麻增强的复合材料比短切玻纤增强复合材料表现出明显的低韧性。Jain S等用竹纤维增强U P，研究发现其强度优于玻璃纤维UP复合材料。O’De11 JL采用无编织黄麻纤维制备 UP复合材料板。其拉伸强度，拉伸和弯曲模量为商业化玻璃纤维织物增强复合材料板的50%。悬臂梁冲击强度和弯曲强度均低于玻璃纤维增强的复合材料。尽管采用天然纤维增强的UP复合材料有较多的优点，但在这类复合材料中天然纤维是亲水性的，其与疏水性策合物基体的相容性必然较差，同时由于纤维降解的可能性等均会影响复合材料的性能、因此有必要对纤维进行表面处理。
3、纤维的表面改性对纤维增强UP性能的影响
纤维与基体的界面结合是影响纤维增强复合材料性能的主要因素之一，因此界面结合的问题成为纤维增强复合材料的研究热点。采用对纤维进行上浆处理，可改善纤维与UP的界面结合力，从而提高纤维增强 UP的力学性能。 Soo－Jin Papk等L利用聚乙烯酸（PVA）、聚酯和环氧树脂上浆玻璃纤维的表面来提高纤维增强UP的力学性能。研究发现经浆料处理的复合材料的层间剪切强度（ILSS）和临界应力-强度应子（KIC）高于未上装浆理的。上浆后的玻璃纤维的表面自由能也增大，其中用环氧树脂处理的玻璃纤维具有最大的表面活性能（38．6MJ.m-2）和ILSS值（约为23MPa），并且发现表面活性能与ILSS和KIC有明显的线性关系。上浆后的纤维增强复合材料的弯曲强度（Of）和弯曲弹性模量（Eb）均比未上浆的纤维复合材料大，其中以环氧树脂处理的纤维复合材料值最大，约分别为200MPa。13GPa,qf比未上浆的增加约43％．而Eb增加值不多。从材料的断裂表面的SEM照片发现未上j浆的与用PVA处理玻璃纤维增强复合材料具有低的力学界面性能（如ILSS和KIC）；而用环氧树脂处理玻璃纤维制备复合材料，纤维与基体有强的粘结强度，从而提高了复合材料的力学性能树在RTM工艺中，液体树脂侵入纤维在模具中完成，树脂浸渍受几个因素的影响，如液体树脂的化学流变性的影响，纤维最后的走向成各自异性，树脂的浸渍的压力；纤维与树脂制件的表面特性。其中，纤维浸润是RTM工艺的一个重要方面，纤维浸润性差会造成空隙的形成，影响纤维树脂基体的粘接等，最终降低复合材料的力学性能及其它性能。 A．C．De Albuquerque等研究了黄麻粗纱增强的UP复合材料。黄麻粗纱经BYK－A515处理后复合材料的拉伸强度。杨氏模量、弯曲强度、弯曲模量随纤维含量的增加而增加。当纤维的含量为30％时，其拉伸强度为68.7Mpa，杨氏模量为1.4GPp断裂伸长率为6.15％，弯曲强度为115MPa．弯曲模最为 4．25GPa。 Pott GT等处理过的亚麻与UP制备了复合材料。通过处理亚麻减少其湿度和腐蚀灵敏性，然后用于增强聚合物复合材料。纤维的处理包括热压，温度高于160度，在水中热处理，干燥等。以此方法处理的纤维制备的复合材料与未处理的纤维制备的复合材料相比具有较好的力学性能和较好的再生性。
硅烷偶联剂广泛应用于纤维处理。在纤维与硅烷仍联剂的界面处，硅炼中的羟基与玻璃纤维表面互相通过硅氧键或氢键反应。如果根据树脂基体选择适当的偶联剂，可改善纤维的表面张力。C，W，Lee等采用硅烷偶联剂对玻璃纤维进行表面改性，实验采用的偶联剂是Ý（甲基丙烯酸氧基）丙基三甲基氧硅烷（Ý一MPS）。研究发现用Y－MPS处理玻璃纤维表面后，纤维由于羟基的疏水性，使得表围能降低；由于宏观流或微观流及毛细管压力的作用，玻璃纤维的渗透性比未处理过的小； UP复合材料的空隙量较低；其力学性能均有较大的提高。从复合材料断裂表面电镜照片可以看出，用Y－MPS处理的纤维表面与基体具有较强的界面粘接力。
研究表明采用含有氨基的硅烷偶联剂能较好提高复合材料的界面力学性能。Soo-Jin Park等采用含 10wt％ Y一氨基丙基三乙氧基硅烷（APS）的Y－（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅（90Wt％，MPS）的不同浓度溶液（0．1－0．5wt%)处理玻璃纤维，研究硅炼偶联剂对玻璃纤维增强UP复合系列的力学界面性能的影响。研究表明使用偶联剂导致复合材料的层间剪切强度增加；用0.2wt％硅烷处理所得纤维复合材料应力强度因子达最大值，约为3．98MPa/m2；当硅烷的浓度高于0.2wt％；复合材料的界面力学性能降低。Masud AKM等研究了纤维的处理对芳酰胺纤维复合材料的界面及弯曲强度的影响，发现纤维处理后能同时影响界面剪切强度和纤维强度。A.k.Ssha等通过化学改性，利用氰乙基化作用提高黄麻在UP复合材料中的适用性。将改性的黄麻制备的UP复合材料与未改性黄麻纤维制备的UP复合材料进行对比，研究材料的弯曲摸量、机械减震性能与温度之间的关系。此外，通过蠕变实验研究承载能力与时间的关系。结果表明采用未改性的固化树脂的损耗模量峰值对应的温度与纯材脂相比有所下降，而采用改性的黄麻纤维制备的UP复合材料则增加；从SEM分析，改性的黄麻制备的UP复合材料在断裂纤维的末梢，树脂能很好地保留，而采用未改性的则显示在基体中有未覆盖树脂的纤维和孔洞，这表明利用氰乙基化作用能较好地提高纤维与共体的结合力。
4、结语
在玻璃纤维增强的不饱和聚酯复合材料中，除了以上的主要因素外，引发剂、促进剂、添加剂的种类及含量、铺层方法、工艺条件等均会影响 U P与纤维的界面结合力。如使用低挥发性的苯乙烯的树脂时复合材料脱层问题更显著，大大降低了其力学性能。此外，纤维增强UP性能还受其它许多因素的影响，如气候性、酸、碱等的影响。随着纤维增强UP技术的发展及考虑生态环境等综合因素，采用天然植物纤维增强UP。仍将是今后的研究重点，而纤维与UP基体的界面改性也是研究的热点。
