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Why復(fù)合材料會(huì)用到硅烷?
復(fù)合材料通常是指樹(shù)脂基復(fù)合材料,它是以纖維材料作為增強(qiáng)體(FPR)與有機(jī)聚合物按比例混合后形成的高性能型材料[1]。常用的FRP主材主要有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維及芳綸纖維等[2-4]。由于纖維材料表面光滑,缺少活性基團(tuán)、反應(yīng)活性低的特性導(dǎo)致其在聚合物樹(shù)脂中相容性弱,分散性差,無(wú)法與有機(jī)聚合物基團(tuán)形成強(qiáng)的界面結(jié)合,不能有效提高復(fù)合材料的性能。
樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用產(chǎn)品
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硅烷是能同時(shí)與極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)產(chǎn)生一定結(jié)合力的化合物,其特點(diǎn)是分子中同時(shí)具有極性和非極性部分,如:氨基、環(huán)氧基、烷基及苯基等有機(jī)官能團(tuán),常與基體樹(shù)脂中的有機(jī)官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)結(jié)合[6-7];甲氧基、乙氧基等,這些基團(tuán)易水解成硅醇而與纖維表面的氧化物與羥基反應(yīng),生成穩(wěn)定的硅氧鍵[6-7]。硅烷的兩種不同反應(yīng)性基團(tuán),在界面形成無(wú)機(jī)相一硅烷偶聯(lián)劑一有機(jī)相的結(jié)合層,在基體樹(shù)脂與無(wú)機(jī)纖維之間形成“分子橋”,把二者牢固地粘附在一起。
硅烷水基結(jié)合纖維界面示意圖
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從樹(shù)脂基角度來(lái)分類,可大致分為:熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩類。
不飽和聚酯樹(shù)脂
聚酯層壓板中的玻璃纖維上多采用不飽和硅烷偶聯(lián)劑,對(duì)常用不飽和聚酯樹(shù)脂來(lái)說(shuō),推薦用含甲基丙烯酸酯的硅烷類型。
環(huán)氧樹(shù)脂
實(shí)際應(yīng)用中,使用伯胺基團(tuán)的硅烷可使室溫固化的環(huán)氧樹(shù)脂獲得最佳性能,但不可用于酸酐固化的環(huán)氧樹(shù)脂。含氯丙基官能團(tuán)的硅烷對(duì)高溫固化的環(huán)氧樹(shù)脂是一種很可靠的硅烷偶聯(lián)劑,含甲基丙烯酸酯的硅烷是雙氰胺固化的環(huán)氧樹(shù)脂的有效偶聯(lián)劑。
酚醛樹(shù)脂
② 熱塑性樹(shù)脂
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硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)用于樹(shù)脂基復(fù)合材料中通常采用液相處理法[9]:遷移法和預(yù)處理法。
遷移法
預(yù)處理法
硅烷偶聯(lián)劑配制成水溶液,再通過(guò)浸潤(rùn)、涂刷等工藝對(duì)纖維表面進(jìn)行處理。該方法又包括前處理法、后處理法。前處理法是在無(wú)機(jī)纖維成形的過(guò)程中,將配置好的硅烷偶聯(lián)劑水溶液加入纖維浸潤(rùn)劑中,從而使纖維表面覆蓋一層硅烷偶聯(lián)劑;后處理法是先利用洗滌或灼燒法除去無(wú)機(jī)纖維織物表面的浸潤(rùn)劑涂層,再浸漬硅烷偶聯(lián)劑水溶液;其中,應(yīng)用較多的是前處理法。
必要時(shí),可以將兩種或多種硅烷偶聯(lián)劑配合使用,例如KH 550和KH 560兩者配合使用具有協(xié)同作用,環(huán)氧基在氨基存在下會(huì)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng),形成復(fù)雜的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),起到增強(qiáng)效果的作用。
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How to選擇適合的硅烷?
總結(jié)復(fù)合材料中常用的硅烷如下表:
[1]趙玉庭,等,復(fù)臺(tái)材料基體與界面.[M]華東化工學(xué)院出版社,1991
[2]賀福,等.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù).[M]化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
[3]張志堅(jiān),等.硅烷偶聯(lián)劑在玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用.[J]玻璃纖維,2013(3):11-22.
[4]傅宏俊等.玄武巖纖維表面處理及復(fù)合材料界面改性研究[J].纖維復(fù)合材料,2007,24(3):11-23.
[5]趙貞,等.偶聯(lián)劑的研究進(jìn)展及應(yīng)用.[J]塑料助劑,2007(2):11-13.
[6]高紅云.硅烷偶聯(lián)劑的偶聯(lián)機(jī)理及研究現(xiàn)狀.[J]江西化工. 2003,2 P.30-34.
[7]Kinloch A J . Adhesion and adhesives scince and technology.[J]Chapman and Hall Ltd,1987.P.154.
[8]賀福,等.碳纖維表處理的新方法.[J]高科技纖維與應(yīng)用,2005,25(5):30-37.
[9]張耀明,等.玻璃纖維與礦物棉全書(shū).[M]化學(xué)工業(yè)出版社,2001:425-433.
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