纳米SiO_2对EP_国产芳纶_纤维复合材料性能的影响.pdf

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1、张淑慧,等:纳米SiO2对EP/国产芳纶Ⅲ纤维复合材料性能的影响9纳米SiO2对EP/国产芳纶Ⅲ纤维复合材料性能的影响张淑慧梁国正崔红张炜王斌(西北工业大学理学院应用化学系,西安710072)(西安航天复合材料研究所,西安710025)摘要选择纳米SiO2作为增强材料改性环氧树脂(EP)基体,与国产芳纶Ⅲ纤维缠绕成复合材料。研究了不同含量的纳米SiO2对EP基体拉伸性能和冲击性能的影响;通过NOL环复合材料剪切强度测试和纤维缠绕ª150mm容器水压爆破实验,研究了不同含量纳米SiO2对EP/国产芳纶Ⅲ纤维复合材料层

2、间剪切强度和纤维强度转化率的影响。结果表明,EP基体中纳米SiO2质量分数为3%时,对基体拉伸和冲击性能均有显著改善,拉伸强度和冲击强度分别提高28.8%和22.6%,EP/国产芳纶Ⅲ纤维复合材料的层间剪切强度达到最大值,比未改性配方高出约56.8%;ª150mm容器水压爆破结果表明,纳米SiO2的加入使纤维强度转化率平均提高7%以上。关键词纳米SiO2环氧树脂芳纶纤维复合材料改性层间剪切强度纤维强度转化率“十五”期间,我国自行研制开发的一种新型芳机电制造有限公司;香族共聚酰胺纤维———国产芳纶Ⅲ纤维,已基本攻小型

3、卧式缠绕机:DSC-1型,哈尔滨玻璃钢研克纤维生产关键技术。该纤维拉伸强度高,可达究所;4230MPa,将被用来取代F-12芳纶纤维作为我国立式缠绕机:LC-800型,哈尔滨玻璃钢研究未来大型固体火箭发动机复合材料壳体的主体材所;料。我国发动机壳体材料主要以环氧树脂(EP)为电子万能材料试验机:ESS-10T-S型,日本岛基体,采用纤维缠绕工艺技术,而国产芳纶Ⅲ纤维与津公司;EP之间的粘结性能较差,致使复合材料的层间剪切扫描电子显微镜(SEM):S-570型,日本Hita2强度较低,缠绕的壳体纤维强度转化率也较低。

4、因chi公司;此本研究从EP基体改性着手来改善国产芳纶Ⅲ纤万能材料试验机:4505型,英国英斯特朗公司。维与基体之间的界面粘结性能。刚性无机粒子增强1.3试样制备增韧聚合物的方法作为一种获得低成本、高性能改首先将纳米SiO2在(110±5)℃烘箱中预烘1h[1-2]性材料的途径已引起人们的重视。与普通无机以除去水分;然后将两种EP(E-51、TDE-85)混合粉末粒子相比,纳米无机粒子的表面缺陷、非配对原并加热至100℃左右,加入烘干的纳米SiO2,利用高子多,与聚合物发生物理或化学结合的可能性大,且剪切混合乳化机

5、搅拌约30min;依次加入计量好的与聚合物基体间有较强的界面结合,可提高聚合物各种助剂;然后将配制好的胶液倒入丙酮中,备用。承担载荷的能力,达到增强增韧聚合物的目的。笔最后进行NOL环(ª150mm)和ª150mm容器缠绕者采用纳米SiO2改性EP,研究了其对基体力学性能成型。NOL环的制作工艺流程如图1所示,ª150及对EP/国产芳纶Ⅲ纤维复合材料层间剪切性能和mm容器的制作工艺流程如图2示。容器纤维强度转化率的影响。1实验部分1.1原材料国产芳纶Ⅲ纤维:中蓝集团晨光化工研究院,EP:E-51,无锡树脂厂;EP:

6、TDE-85,天津津东化工厂;2纳米SiO2:经表面处理,比表面积640m/g,平均粒径10nm,浙江舟山明日纳米材料有限公司;丙酮:工业品,西安化学试剂厂。1.2主要设备及仪器高剪切混合乳化机:BME-100L型,上海威宇收稿日期:200820421710工程塑料应用2008年,第36卷,第7期1.4性能测试集中现象,达到复合材料的应力平衡状态。③纳米拉伸性能按GB2568-1981测试;冲击性能按SiO2粒子具有能量传递效应。其存在使基体树脂裂GB2571-1995测试。纹扩展受阻和钝化,不使裂纹发展为破坏性开

7、裂。层间剪切性能通过NOL环制备尺寸为18mm④纳米SiO2粒子比表面积大,与基体之间的接触面×6mm×3mm的试样,按GB1461-1988测试。积大,材料受冲击时产生更多的微裂纹和塑性变形,层间剪切强度按式(1)计算:吸收更多的冲击能,提高增韧效果。当纳米SiO2粒3P子含量达到某一临界值时,粒子之间过于接近,材料ILSS=(1)4bd受冲击时产生微裂纹和塑性变形太大,发展成宏观式中:ILSS为层间剪切强度;P为断裂强度;b为试应力开裂,造成复合材料性能下降。⑤纳米SiO2粒样宽度;d为试样厚度。子具有特殊的表

8、面结构,表面非配对原子多,与EP环向纤维强度按GB6058-1985通过壳体水压发生物理或化学结合的可能性大;同时该粒子表面爆破试验测试,根据式(2)计算:所含有的大量羟基也使其与EP具有较好的结合σ=pD(2-tg2α)(2)力,能充分吸附、键合,增强粒子与界面的结合。e4A0rene2.2纳米SiO2对复合材料剪切性能的影响式中:σe为壳体环向纤维强度;