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Why复合材料会用到硅烷?
复合材料通常是指树脂基复合材料,它是以纤维材料作为增强体(FPR)与有机聚合物按比例混合后形成的高性能型材料[1]。常用的FRP主材主要有碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维等[2-4]。由于纤维材料表面光滑,缺少活性基团、反应活性低的特性导致其在聚合物树脂中相容性弱,分散性差,无法与有机聚合物基团形成强的界面结合,不能有效提高复合材料的性能。
树脂基复合材料应用产品
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硅烷是能同时与极性物质和非极性物质产生一定结合力的化合物,其特点是分子中同时具有极性和非极性部分,如:氨基、环氧基、烷基及苯基等有机官能团,常与基体树脂中的有机官能团发生化学结合[6-7];甲氧基、乙氧基等,这些基团易水解成硅醇而与纤维表面的氧化物与羟基反应,生成稳定的硅氧键[6-7]。硅烷的两种不同反应性基团,在界面形成无机相一硅烷偶联剂一有机相的结合层,在基体树脂与无机纤维之间形成“分子桥”,把二者牢固地粘附在一起。
硅烷水基结合纤维界面示意图
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从树脂基角度来分类,可大致分为:热固性树脂和热塑性树脂两类。
不饱和聚酯树脂
聚酯层压板中的玻璃纤维上多采用不饱和硅烷偶联剂,对常用不饱和聚酯树脂来说,推荐用含甲基丙烯酸酯的硅烷类型。
环氧树脂
实际应用中,使用伯胺基团的硅烷可使室温固化的环氧树脂获得最佳性能,但不可用于酸酐固化的环氧树脂。含氯丙基官能团的硅烷对高温固化的环氧树脂是一种很可靠的硅烷偶联剂,含甲基丙烯酸酯的硅烷是双氰胺固化的环氧树脂的有效偶联剂。
酚醛树脂
② 热塑性树脂
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硅烷偶联剂应用于树脂基复合材料中通常采用液相处理法[9]:迁移法和预处理法。
迁移法
预处理法
硅烷偶联剂配制成水溶液,再通过浸润、涂刷等工艺对纤维表面进行处理。该方法又包括前处理法、后处理法。前处理法是在无机纤维成形的过程中,将配置好的硅烷偶联剂水溶液加入纤维浸润剂中,从而使纤维表面覆盖一层硅烷偶联剂;后处理法是先利用洗涤或灼烧法除去无机纤维织物表面的浸润剂涂层,再浸渍硅烷偶联剂水溶液;其中,应用较多的是前处理法。
必要时,可以将两种或多种硅烷偶联剂配合使用,例如KH 550和KH 560两者配合使用具有协同作用,环氧基在氨基存在下会发生开环反应,形成复杂的网状交联结构,起到增强效果的作用。
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How to选择适合的硅烷?
总结复合材料中常用的硅烷如下表:
[1]赵玉庭,等,复台材料基体与界面.[M]华东化工学院出版社,1991
[2]贺福,等.碳纤维及其应用技术.[M]化学工业出版社,2009.
[3]张志坚,等.硅烷偶联剂在玻纤增强复合材料领域中的应用.[J]玻璃纤维,2013(3):11-22.
[4]傅宏俊等.玄武岩纤维表面处理及复合材料界面改性研究[J].纤维复合材料,2007,24(3):11-23.
[5]赵贞,等.偶联剂的研究进展及应用.[J]塑料助剂,2007(2):11-13.
[6]高红云.硅烷偶联剂的偶联机理及研究现状.[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]贺福,等.碳纤维表处理的新方法.[J]高科技纤维与应用,2005,25(5):30-37.
[9]张耀明,等.玻璃纤维与矿物棉全书.[M]化学工业出版社,2001:425-433.
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