【干货】树脂基复合材料制备要点

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随着现代工业的快速发展，树脂基复合材料(又被称为纤维增强塑料（FRP）)，凭借着自身固有的优点，越来越受到人们的青睐，广泛应用于航空航天、轨道交通、风电能源、节能建筑、体育器材等领域。而如何制备出综合物理性能优异的复合材料，华科聚合物带你一起探索！

树脂基复合材料的界面层

树脂基复合材料的界面层，并不仅是纤维与树脂基体简单接触的一个几何界面，而是具有一定厚度、结构的过渡区域（如图1）。

图1 复合材料界面微观结构

界面层的结构由树脂与纤维间的接触与润湿、树脂固化这两个阶段共同作用决定，界面层对树脂基复合材料整体的物理性能具有十分重要的影响。界面层会影响纤维与树脂基体间的应力传递、复合材料的裂纹扩展历程以及复合材料对环境因素的适应性。当受力时，复合材料会因为应力集中点的存在而发生裂纹，裂纹在树脂基体中扩展，若遇到高强度的纤维时，就会阻止其前进，裂纹被迫沿界面发展，使其脱胶。若遇到低强度的纤维就会导致纤维的断裂，而纤维的断裂与纤维从树脂基体中拔出克服摩擦力的过程，就会吸收大量的能量。裂纹在材料中不断地迫使界面脱胶，纤维拔出，基体和纤维的断裂，直至复合材料被破坏。

图2 复合材料断裂能量吸收示意图

浸润剂/上浆剂

除了选用合适的基体树脂和纤维材料外，还需要关注提升纤维与树脂基体的界面结合力，这就不得不提到纤维浸润剂/上浆剂。未经表面处理的玻璃纤维表面光滑、活性基团少，其无机特性与有机特性的不相容性，使得玻璃纤维与树脂基体界面结合较弱。类似地，未经表面处理的碳纤维表面是高度稳定且非极性的光滑类石墨结构，直接与树脂基体很难形成理想的界面粘接。所以需要在玻璃纤维和碳纤维表面使用浸润剂/上浆剂进行处理。图3分别是玻璃纤维和碳纤维生产过程的卡通示意图。浸润剂/上浆剂一般由成膜剂、偶联剂、润滑剂及其它添加剂等组成的溶液、乳液或者分散体。浸润剂/上浆剂的作用主要有如下几点：1、保护“新鲜出炉”的纤维表面免受磨损，减少毛羽产生；2、使纤维在加工以及后加工过程中不会断裂；3、使纤维不受水的侵蚀；4、提高界面剪切强度和界面结合力，提升复合材料综合物理性能。

图3 玻璃纤维和碳纤维生产过程的卡通示意图

例如，以玻璃纤维为例，下图是玻璃纤维、浸润剂和基体树脂的作用示意图（如图4）。硅烷偶联剂与玻璃纤维表面反应生成硅氧键，而硅烷偶联剂另一端含有氨基、环氧、双键等有机官能团，能与成膜剂相溶。成膜剂的作用是在纤维表面形成一层较厚且坚韧的连续保护膜，防止纤维被摩擦损伤，同时所形成的连续保护膜必须有良好的弹性，以适应高速拉丝工艺。成膜剂一般有聚醋酸乙烯酯、聚酯、环氧树脂、聚氨酯等树脂的分散体或乳液。润滑剂一般有醚类、醇的共聚物类、阳离子胺盐类、油酸酯类等。在扫描电镜下（如图5所示），良好的纤维界面处理是纤维被树脂包覆良好，而较差的纤维界面处理则是纤维在树脂中可以滑移或者有光滑的断面。

图4 玻璃纤维、浸润剂和基体树脂的作用示意图

图5 纤维包裹良好，界面处理较好（左）；纤维产生滑移，界面处理较差（右）

例如，下表是一种水性聚氨酯浸润剂的配方（质量份）：

使用上述浸润剂对玻璃纤维进行处理，处理前后的玻璃纤维性能如下表所示：

要达到最佳的制品性能，选择正确的浸润剂/上浆剂和基体树脂进行搭配显得尤为重要。例如，目前碳纤维上浆剂主要开发应用于热固性树脂领域，碳纤维行业通常使用环氧树脂体系作为上浆剂，而环氧树脂和尼龙树脂不相容。因而这种碳纤维和尼龙树脂结合的复合材料的综合物理性能还不如使用未上浆处理的碳纤维的性能。

会议预告：

4月14-16日-南京聚氨酯复合材料成型工艺技术与市场应用研讨会