基于VARI制备的不同改性芳纶织物增强环氧树脂基复合材料力学性能分析

发布时间：2020-06-19 18:14

【摘要】：为了评估改性芳纶织物增强环氧树脂基材料的弯曲性能,通过真空辅助树脂传递工艺(VARI),分别制备20%H_3PO_4改性(改性时间2、4、6 h)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)改性(质量分数分别为3%、5%、7%)和60%HNO3改性(改性时间12、24、36 h)芳纶织物增强树脂基材料,一方面从动态热力学(DMA)角度分析了不同改性工艺对材料储能模量、损耗模量和活化能的影响;另一方面从静态力学角度分析了不同改性工艺对材料拉伸性能的影响。结果表明,质量分数20%H_3PO_4改性后材料的储能模量、活化能都大幅度提升,最大增幅分别为64.48%、35.4%;KH-550改性后材料的储能模量、活化能呈现一定的线性增长,其中5%KH-550改性方案中,活化能提升幅度最大,达到521kJ/mol;HNO_3改性后材料的储能模量下降,HNO_3改性时间不宜过长;几种改性方案中,以拉伸性能增幅为指标,排序为H_3PO_4改性KH-550改性HNO_3改性,且HNO_3改性增幅为负值,H_3PO_4改性2 h方案最佳。
【图文】：

改性工艺,储能模量

。从图1可知，随着温度的增加，材料的损耗模量、介电损耗角正切均先增后减，储能模量下降，当温度高于玻璃化转变温度时，曲线急剧下降，材料中储存能量的分子的运动很自由，部分支链和链段产生的热量较多，紧接着材料的损耗模量、介电损耗角正切分别达到峰值。图1H3PO4改性2h的复合材料DMA图谱Fig1DMAcurvesofthecompositesmodifiedbyH3PO4for2h2.2不同改性工艺对储能模量、损耗模量和活化能的影响选取DMA图谱中储能模量－温度曲线、损耗模量－温度曲线中40℃时的储能模量、损耗模量数值，绘制图2、3，以活化能计算值绘制图4。从图2、3可知，较未改性芳纶织物增强环氧树脂基复合材料，H3PO4改性2h方案下，复合材料的储能模量最高，增幅达到64.48%;3种改性工艺下，材料的损耗模量均下降。已有资料［9］表明，改性前芳纶纤维表面光滑均整无沟槽，纤维整体近似呈棒状，无刻蚀现象，纤维表面光滑且缺少氢键，经H3PO4溶液改性后，纤维表面变得粗糙，出现了刻蚀现象，这样使得芳纶纤维出现原纤化现象，同时活化了其表面，可以增加纤维间交织结合的能力。更进一步的XPS分析表明［9］，纤维表面氧元素含量明显提高，O/C比例变为38.73%，比未经改性处理的芳纶纤维O/C相对值提高了21.4%，而更高的O/C比例能够使得邻、间位反应活性增强，在酸的作用下发生亲电取代［10］，生成羟基，导致芳纶纤维表面含氧官能团增加，同时，纤维表面的酰胺键在磷酸的作用下也会发生少量的水解，产生极性很强的氨基。从而导致纤维表面的极性官能团与树脂基体之间的吸附作用增强，加之纤维表面粗糙度的增加，纤维与基体之间的机械互锁作用增大，所以改性后材料的界面剪切强度提高，材料刚性增加，储能模

改性工艺,损耗模量,活化能

慕缑婕羟星慷忍岣撸嗤牧细招?增加，储能模量增加，损耗模量下降。但H3PO4溶液4、6h改性后材料的储能模量开始下降，可能是纤维在溶液中浸泡时间过长，造成纤维表面刻蚀弱节增加，纤维力学性能下降所致，其活化能数值的变化也可以佐证这一点，计算得到的活化能可以定量地表征其内部结合作用力［11］，如图4所示，H3PO4溶液4、6h改性后，材料活化能虽然小幅度下降，但仍然分别比未处理材料高25.2%和22.6%。图2不同改性工艺对储能模量的影响Fig2Effectofdifferentmodificationsonthestoragemodulus图3不同改性工艺对损耗模量的影响Fig3Effectofdifferentmodificationsonthelossmodulus图4不同改性工艺对活化能的影响Fig4Effectofdifferentmodificationsontheactivationenergy偶联剂在化学结构上具有双官能团，在复合材料中起“桥梁作用”，一端与纤维表面反应，另一端与·51·

【参考文献】