高性能有机纤维增强复合材料的界面粘结性能研究

　　为了改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和芳纶等高性能有机纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能，从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点，开发出两种新型热固性树脂———PCH树脂和AFR树脂，分别用作UHM-WPE纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了UHMWPE纤维/PCH、芳纶/AFR复合材料，并通过测定溶度参数、接触角、界面剪切强度、层间剪切强度(ILSS)、横向拉伸强度和观察断面形貌等方法研究了复合材料的界面粘结性能。结果表明，UHMWPE纤维和PCH树脂浇铸体的溶度参数相近，PCH树脂溶液在UHM-WPE纤维表面的接触角为15.6°，说明对其具有良好的浸润性;UHMWPE/PCH复合材料的ILSS和单丝拔出强度分别为42.6MPa和21.8MPa，均远大于UHMWPE/环氧树脂(EP)复合材料的相应强度，扫描电镜分析也表明UHMWPE纤维增强PCH树脂基复合材料具有优异的界面粘结性能。AFR树脂溶液与芳纶纤维的接触角为42.8°，而EP与芳纶的接触角为68°，说明AFR树脂对芳纶的润湿性优于EP;芳纶/AFR复合材料的ILSS、横向拉伸强度和纵向拉伸强度分别为74.6MPa、25.3MPa和2256MPa，比芳纶/EP复合材料的相应强度分别提高了28.7%、32.5%和13.4%，其复合材料破坏面的形貌也说明芳纶与AFR树脂之间的界面粘结性能较好。

　　关键词:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维;芳纶纤维;复合材料;界面粘结性石家庄地坪

　　超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和芳纶等高性能有机增强纤维以其高比模量、高比强度、低密度、耐冲击等优异性能在航空航天、军事等多个领域得到了应用。但由于其结构导致的纤维表面呈现出较大的化学惰性，纤维与树脂的界面结合能低，粘附性及浸润性差，两相界面粘结不理想，导致复合材料的层间剪切强度(ILSS)低，严重影响了复合材料综合性能的发挥，大大限制了其在高性能复合材料中的广泛应用。

　　提高有机纤维增强复合材料界面性能的研究是国内外材料界研究的热点，是纤维增强复合材料应用中迫切需要解决的关键科技问题之一。最常使用的技术手段是对纤维表面进行处理以提高纤维与基体之间的界面粘结强度，常用于有机纤维表面改性的方法主要包括等离子体处理、化学试剂处理、辐射引发表面接枝处理、电晕放电处理等。纤维经过处理后有的表面粗糙度发生了变化，有的表面引入一层涂层，有的则被引入了活性基团，其最终作用都是使纤维表面能发生变化，改善纤维与基体树脂之间的粘结性能。国内外研究的有机纤维表面处理方法很多，但真正实际应用的很少。因为不管是化学改性还是物理改性都存在处理工艺复杂、连续在线处理困难、会对纤维表面结构造成一定程度的损伤、有三废等问题。批量连续在线处理和易于实现工业化特点的处理方法是今后表面改性技术研究和发展的主要方向。为改变这一情况，我们的研究思路是从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点开发出两种具有良好浸润性的新型热固性树脂———PCH树脂和AFR树脂，分别用作UHMWPE纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了性能优异的UHMWPE纤维/PCH[1，2]和芳纶/AFR复合材料[3，4]，并从树脂溶液与纤维的接触角、单向复合材料的ILSS、横向和纵向拉伸性能、破坏断面形貌等方面来评价树脂与纤维之间的界面粘结性能。

　　1实验部分

　　1.1实验原料

　　UHMWPE纤维，荷兰DSM公司;芳纶纤维(进口);PCH树脂、AFR树脂，自制;E-51环氧树脂(EP)，上海树脂厂有限公司;苯乙烯、丙酮，上海凌峰化学试剂有限公司。

　　1.2单向纤维复合材料层压板的制备

　　首先将计量好的树脂及各种助剂依次加入，制得树脂胶液，然后将树脂胶液浇入到已准备好的模具中，经加热固化后得到树脂浇铸体。

　　用环向缠绕法制备单向纤维预浸料，按所需的尺寸裁剪，放入烘箱中加热一段时间即可得到半固化片;将半固化片铺叠后置于不锈钢模具中，再放入液压机内按照确定的工艺条件热压成型，即可得到单向复合材料层压板;然后按相关标准切割制备试样。

　　采用滴液法分别制备微复合材料，每种体系制备20个样品，从而保证数据的可靠性。

　　1 金刚砂材料简介

　　金刚砂耐磨地坪是工厂预拌、现场即用的一种干撒型地坪材料，有红、黄、绿、灰等多种颜色可以选择，它的主要成份为天然的矿石，比较符合环保的理念。直接施工在处于初凝阶段的混凝土表面，经施工后形成一个坚硬密实，无尘美观而且又高度耐磨的地面。与混凝土地面一起施工，施工工期短;耐久性好，减少了因周期性涂装或将表面增厚所带来的费用;可配制各种色彩，达到美观要求。具有不易起尘，清洁简便，成本低，工艺简单，使用年限高，耐磨、抗冲击性强等优点，是水磨石地面的完美替代产品。

　　2 工程特点

　　济南艺术学校地下车库工程，建筑面积12380m2，本工程采用钢筋砼框架结构，原设计采用耐磨地坪漆，经市场考察结合工程使用功能，地面变更采用金刚砂地面一次抹光成型，基层混凝土厚度120mm，设计强度为C25，Φ6.5 间距200mm 抗裂钢筋网;垫层混凝土厚度60mm，设计强度为C20。

　　3 施工工艺

　　3.1 抹光面放样

　　依建筑物结构基准墨线(如墙面+50cm 线)，用水准仪在地坪浇筑区域内定出混凝土预定浇筑厚度，设置水平高程标记，并认真复核，控制最大凹凸偏差在3-5mm 以内。

　　3.2 混凝土浇筑

　　(1)混凝土浇筑前洒水使地基处于湿润状态，(2)混凝土尽可能一次浇筑至标高，局部未达到标高处利用混凝土料补齐并振捣，严禁使用砂浆修补。使用平板振捣器振捣，并用特制的钢滚筒多次反复滚压，柱、边角等部位用木抹拍浆。混凝土刮平后水泥浆浮出表面至少3mm厚。(3)混凝土浇筑完毕，采用橡皮管或真空设备除泌水去，重复两次以上后开始耐磨材料施工。耐磨材料施工前，中期作业阶段施工人员应穿平底胶鞋进入，后期作业阶段应穿防水纸质鞋进入。

　　3.3 第一次撒布耐磨材料及抹平、墁光

　　(1)耐磨材料撒布的时机随气候、温度、混凝土配合比等因素而变化。撒布过早会使耐磨材料沉入混凝土中而失去效果;撒布太晚混凝土已凝固，会失去粘结力，使耐磨材料无法与其结合而造成剥离。判别耐磨材料撒布时间的方法是脚踩其上，约下沉5mm 时，即可开始第一次撒布施工。(2)墙、柱、门和模板等边线处水分消失较快，宜优先撒布施工，以防因失水而降低效果。(3)第一次撒布量是全部用量的2/3，拌合物应均匀落下，不能用力抛而致分离，撒布后即以木抹子抹平。耐磨材料吸收一定的水份后，再用墁刀机碾磨分散并与基层混凝土浆结合在一起。

　　3.4 第二次撒布耐磨材料及抹平、墁光

　　(1)第二次撒布时，先用靠尺或平直刮杆衡量水平度，并调整第一次撒布不平处，第二次撒布方向应与第一次垂直。(2)第二次撒布量为全部用量的1/3，撒布后立即抹平，墁光，并重复墁光机作业至少两次。墁光机作业时应纵横向交错进行，均匀有序，防止材料聚集。边角处用木抹子处理。(3)面层材料硬化至指压稍有下陷时，墁光机的转速及角度应视硬化情况调整，墁光机进行时应纵横交错3 次以上。(4)耐磨地坪的平整度要求为2m 见方最大偏差3-5mm，同标高极高点与极低点的最大偏差不大于20mm。尽量避免龟裂、脱皮或起砂现象。

　　3.5 表面修饰及养护

　　(1)墁光机作业后面层仍存在抹纹较凌乱，为消除抹纹最后采用薄钢抹子对面层进行有序、同向的人工压光，完成修饰工序。(2)耐磨地坪施工5-6 小时后喷洒养护剂养护，用量为0.2 升/m2。或面覆塑料薄膜防止引起开裂。(3)耐磨地坪面层施工完成24 小时后即可拆模，但应注意不得损伤地坪边缘。(4)完工5-7d 后宜做切割缝，以防不规则龟裂，切割缝间宜为6-8m(一般根据车间柱距离确定)。切割应统一弹线，以确保切割缝整齐顺直，切割深度应至少为地坪厚度的1/5，填缝材料采用预先成型或切割的弹性树脂等材料，建议使用密封胶。

　　4 施工质量控制措施

　　4.1 加强操作人员技能培训及岗前考核

　　(1)根据工程实际情况制定培训计划及培训课程，教材内容为金刚砂耐磨地坪施工要点、相关施工验收标准和同类工程的施工经验。

　　(2)项目部组织相关管理人员、技术骨干对图纸要求、质量标准及本工程施工特点、注意问题等进行讲解，再由技术熟练、经验丰富的各工种高级技师结合规范培训本工种的专项操作技术，并演示实际操作方法。

　　(3)在本工程耐磨地坪施工前一周，要求参与施工的相关操作人员进场前参加相关培训，进行专业理论知识和实际操作技能考核，考核合格后方可参加本工程的耐磨地坪施工。

　　4.2 混凝土浇筑及养护

　　(1)结合工程实际情况，混凝土施工前编制专项混凝土施工方案，方案应说明混凝土浇筑顺序。混凝土浇筑应分仓按序进行，应尽可能一次性浇筑至设计标高，避免两次浇注造成面层与垫层的空鼓。

　　(2)根据车库布局情况绘制分隔示意图，分仓宽度为6m，框架柱中心线位于分仓分隔处。

　　(3)按设计标高支敷模板，保证模板边缘支齐，摊铺时不跑模。混凝土摊铺时，保证振捣密实，表面不露石子，最后用滚杠或刮尺将混凝土表面整平，模板边缘用木抹子搓出浆来。

　　(4)安排专人用水平仪随时检测平整度，确认混凝土表面平整度符合要求(一般偏差±4mm)。

　　(5)混凝土采用特种养护剂养护，用量约在0.2 升/m2，地面修平后立即沿地面均匀喷洒，形成一层致密的阻水保护膜，防止混凝土自身水份的蒸发，达到养护的目的。养护的效果优于一般苫盖浇水养护，保证混凝土的强度和观感质量。

　　4.3 准确把握金刚砂施工插入时间点