1 前言
在复合材料中所使用的填料大部分是天然的或人工合成的无机填料,都属于极性的,水不溶性物质。当它们分散于极性极小的有机高分子树脂时,往往因二者的极性差异而造成相容性不良,直接或过多的填充易导致材料的力学性能下降。因此采用物理或化学的方法对无机填料表面进行改性,使填料表面非极性化,从而提高其与树脂的相容性,进而提高复合材料制品的力学性能,具有一定的实际意义。
2 实验方案
2.1 实验用原料
1)不饱和聚酯树脂191#
2)引发剂:过氧化甲乙酮
3)促进剂:环烷酸钴
4)钛酸酯偶联剂NDZ-401
5)重质碳酸钙
2.2 实验仪器与设备
1)万能电子实验机TDW-5A型
2)烘箱101-1型
3)金属模具
2.3 试件的制备
1) 填料的表面改性本实验采用表面化学改性方法中的干法处理,过程如下:按1:1的比例(重量比)将钛酸酯偶联剂配成乙醇溶液,滴入烘干后的重质碳酸钙中并搅拌,时间控制在40～60分钟,使处理剂充分包覆在填料表面,然后将其放入烘箱中,温度控制在40℃左右,恒温3小时。
2) UP树脂浇铸体及GFRP试件的制备根据相应国家标准,按处理后的填料与树脂重量百分比分别为0%、10%、20%和30%制备树脂浇铸体及GFRP拉伸、弯曲试件。
3 结果与讨论填料含量、处理剂用量对填料填充复合材料体系的力学性能均有显著影响。实验测试结果见表1和表2.为了更加直观地观察实验结果,还制作了六张曲线图,以期对处理剂用量对试件力学性能的影响作出预测。本实验选用的钛酸酯偶联剂NDZ-401为配位型偶联剂,不易于聚酯发生酯交换反应,适用于不饱和聚酯树脂体系。填料的加入使UP树脂浇铸体、GFRP的拉伸、弯曲强度显著下降,拉伸、弯曲模量提高,且有随填料用量的增加而发展的趋势。填充体系模量的上升归结于填料的模量比聚合物的模量大许多倍。
复合体系力学性能的下降则是由于填料与树脂间极性的差异造成的。在填充体系中填料为分散相,实际上是被分割在基体树脂构成的连续相中。即使填料颗粒与基体树脂结合良好没有气泡和孔洞,但在受力截面上基体树脂的面积必然小于纯树脂纤维体系。由于填料与基体树脂间的作用力较弱,在承受外力作用时,基体树脂从颗粒表面被拉开,致使填充体系的强度较未填充体系有所下降。钛酸酯偶联剂NDZ-401含有两种类型的官能团,其中一端为易水解的短链烷氧基,当碳酸钙表面单分子层结合水作用而结合在碳酸钙填料表面,使填料表面非极性化,而偶联剂另一端的长链烷氧基则与UP树脂发生化学反应。钛酸酯偶联剂事实上起到了一种“桥联”的作用,改善了填料与树脂间的界面粘结。化学键理论认为通过化学键的形成而实现的界面粘结,理论上可以获得很高的粘结强度。对试件的测试结果表明经钛酸酯偶联剂改性后的填料填充UP树脂浇铸体、GFRP的强度、模量均有不同程度的提高。
4 结 论 碳酸钙的加入使UP树脂浇铸体、GFRP的拉伸和弯曲强度显著下降,且随填料用量的增加而愈趋显著。而经钛酸酯偶联剂NDZ-401改性后的填料填充UP树脂浇铸体、GFRP的拉伸弯曲强度则较未改性的填充体系有显著提高。表明NDZ-401对碳酸钙有较好的表面改性效果。
