05176 功滋讨科2021年第5期（52）卷文章编号：1001-9731（2021）05-05176-05
制备和耐久性能研究*
谢金12，杨伟军1
（1.长沙理工大学土木工程学院，长沙410076； 2.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳413000）
摘要：首先，利用上浆法，将改性纳米SiC）2与玄武岩纤维复合；然后利用手工铺料法，制备了纳米Sid/玄武岩纤维增强环氧树脂层状复合材料（S-BF/EP）。利用SEM对改性玄武岩纤维和玄武岩纤维/环氧树脂层状复合材料的表面形貌和界面形貌进行了研究；利用FT-IR.TGA和万能力学试验机对复合材料的分子结构、热解性能和耐久性能进行了研究。结果表明，纳米SiQ成功被偶联剂改性，并均匀附着在玄武岩纤维表面，玄武岩纤维表面的粗糙度被有效地改善；S-BF/EP层状复合材料内纳米SiC）2对应的Si-0-Si键收缩振动，使得S-BF/EP层状复合材料比空白EP样品多出1107和803cm—1两个振动峰；S-BF/EP层状复合材料降解温度比EP材料高10 C，其在建筑材料应用方面更有优势；S-BF/EP层状复合材料的抗拉强度和抗弯强度分别为489和987MPa，均高于环氧树脂材料样品的368和795MPa；经过95C湿热老化后，S-BF/EP层状复合材料抗拉强度和抗弯强度性能损失分别为23.9%和 9.6%，明显低于空白EP样品的32.9%和36.6%；断裂面SEM分析表明，S-BF/EP层状复合材料中纤维与环氧树脂基体结合紧密，未发现裂纹或者缝隙。
关键词：玄武岩纤维；环氧树脂复合材料；纳米SiCO；耐久性能
中图分类号：TB332文献标识码:A
0引言
环氧树脂（EP）由于其粘接性能高、力学性能好、收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点，通常作为复合材料基体，在建筑、汽车和海洋工业领域等受到了广泛应用15］。为了满足不同应用领域产品高性能的要求，有必要研究和设计具有特殊性能的新型纤维增强复合材料［］。将环氧树脂基体与高强度纤维复合，可获得高刚度和强度的建筑材料［］。为了限制高分子材料对环境的负面影响，在生产聚合物基复合材料时，越来越多地加入天然纤维，如黄麻、亚麻、和矿物纤维，与聚合物基体一起使用X11］。此外，玄武岩纤维相比玻璃纤维具有更优异的机械强度、热稳定性和耐腐蚀性。与玻璃纤维增强环氧树脂复合材料相比，在聚合物基体中引入玄武岩纤维（BF），可提高聚合物的弹性模量、抗冲击性能和抗弯抗压强度［2］。为了提高玄武岩纤维的强度和粗糙度，可以采用有机/无机复合涂层技术进行改性［3］。Tirillo J等［4］报道了对玄武岩纤维表面进行表面活性剂改性，改善纤维与环氧树脂基体的结合性能，研究结果表明，该方法可以在一定程度上增强玄武岩纤维与环氧树脂
基体的结合能力。另外，Suresha B等［5］研究发现，在聚合物基体中引入纤维填料和矿物填料可以提高复合材料的力学和热性少先队章程
DOI：10.3969/.issn.100-9731.2021.05.026
能。而且由两种或两种以上的组分制造的混合复合材料，例如纤维和粉末，可以达到共同增强材料性能的目的［-8］。将玄武岩纤维与玻璃、亚麻、和黄麻纤维等不同纤维相结合的技术已被应用于制备多种复合材料，在复合材料中加入不同尺寸的纳米填料与各种形式的玄武岩纤维结合，也可以改善复合材料的性能［921］。
本文创新性之处在于，首先，对纳米SiC）2进行KH500表面改性；然后，将改性后的纳米SiC）2通过聚氨酯上浆剂涂覆在玄武岩纤维表面，制备改性的玄武岩纤维复合材料；最后，将玄武岩纤维和环氧树脂复合制备了纳米SiO!/玄武岩纤维增强环氧树脂层状复合材料（S-BF/EP）。通过静态拉伸试验和热重分析研究了复合材料的力学性能和热学性能，并采用扫描电镜对复合材料的界面进行了微观界面研究。
1实验
1.1实验材料
玄武岩纤维：山西晋投玄武岩发开有限公司，性能参数如表1所示；环氧树脂：型号为LY564，徐州中研科技工业有限公司；固化剂：型号为ZY-S885，徐州中研科技工业有限公司；水溶性聚氨酯：新阳聚氨酯科技有限公司；纳米SiCb：宣城晶瑞新材料有限公司。
*基金项目：长沙理工大学研究生科研创新资助项目（CX2017BS01）
收到初稿日期：2020-11-13收到修改稿日期：2021-0-22通讯作者：谢金,E-mail：*********************作者简介：谢金（1986—）女，湖南益阳人，博士，讲师，主要从事新型建筑节能材料研究。
谢金等：纳米SiO2/玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的制备和耐久性能研究05177
表1玄武岩纤维性能参数
Table1Performance parameters of basatt fiber
纤维直径/^m拉伸强度/MPa弹性模量/GPa断裂伸长率/%
6.702142
12样品的制备
纳米SiO2材料表面修饰：将纳米SiO2与乙醇按照质量比为20：1混合，并搅拌均匀，超声0.5h后移入水浴锅中，并在75C下搅拌4h，随后离心洗涤,80C 下进行烘干备用。
纳米SiO2/玄武岩纤维复合材料(S-BF)的制备：首先，用去离子水和水溶性聚氨酯制备3%(质量分数)的浆液；然后，加入0.3%(质量分数)的改性纳米SiO2材料；接着，将玄武岩纤维织物浸入浆料中15min；最后，在80°C下干燥10h，得到S-BF复合材料。
环氧树脂液的配置：按照体积比4：1，将环氧树脂与固化剂混合，并用玻璃棒将树脂与固化剂搅拌均匀，消散气泡后备用。
纳米SiO2/玄武岩纤维增强环氧树脂层状复合材料(S-BF/EP)的制备：采用手工铺料方式制备空白环氧树脂和玄武岩纤维/环氧树脂层状复合板坯料，随后将坯料置于干燥箱中固化成型，固化工艺为140°C保温3h，得到S-BF/EP复合材料。
13样品的分析与测试
采用扫描电镜(SEM)分析改性后的S-BF复合材料的微观结构和S-BF/EP层状复合材料的微观界面；采用傅里叶红外光谱仪对改性前后的纳米SiO2进行检测；在氮气和空气条件下，采用热重法(TGA)对复合材料的热稳定性进行分析，升温速率为10°C/mm，温度范围为30〜900°C；根据GB1447—2005纤
维增强塑料拉伸性能试验方法、GB1449—2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，采用Instron4481万能试验机测试复合材料力学性能。
2结果与讨论
论文写作2.1纳米SiO2/玄武岩纤维复合材料的表征
图1为改性前后纳米SiO2材料的FTIR图谱。由图1可知，KH550偶联剂改性后SiO2在3420 cm-1处的吸收峰宽化，在1630和1400cm-1处的吸收振动峰强度增加，这可能是偶联剂与SiO2表面发生了反应造成的。1630cm-1处的吸收峰对应N-H键弯曲振动峰,400cm-1处的吸收峰对应-CH2-弯曲振动峰,N-H键和-CH2-键的增加说明纳米SiO2表面成功被偶联剂进行了改性。
图2为纳米SiO2/玄武岩纤维复合材料的SEM 图。从图2可以看出，玄武岩纤维表面附着了改性后的纳米SiO2颗粒，而且纳米SiO2颗粒分布均匀，未见有明显团聚。由此可知，经过纳米SiO2改性后，玄武岩纤维表面的粗糙度被有效地改善，复合材料表面均
7.20 2.61
匀涂覆了一层纳米SiO2颗粒，使复合材料的界面相容性得到提高。
图1改性前后纳米SiO2材料的FTIR图谱
Fig1FT-IR spectra of rarLo-SiO2material before and after modification
图2纳米SiO2/玄武岩纤维复合材料的SEM图Fig2SEM images of mamo-SiO2/basatt fiber eom-posites
2.2样品的FTIR分析
图3为环氧树脂(EP)空白样品和纳米SiO2/玄武岩纤维增强环氧树脂层状复合材料(S-BF/EP)样品的FI-TR谱图。从图3可以看出，EP空白样品和S-BF/ EP样品的曲线并未发现明显区别，峰形基本相似，3 430和1245cm-1处的吸收峰分别对应-OH键的伸缩振动和变形振动,920cm-1处的吸收峰对应-CH3键的振动,605和1506cm-1处的吸收峰对应环氧树脂苯环键的振动。相比纯环氧树脂材料,S-BF/EP层状复合材料只是多了1107和803cm-1处的两个振动峰，这两处振动峰对应Si-0-Si键的收缩振动。
2.3热重分析
图4为EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品在氮气和空气气氛下的热重分析。由图4(a)可知，在氮气气氛中，EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品均发生了单步降解的过程；由图4(b)可知，在
05178功燧讨科2021年第5期(52)卷空气气氛中，两种样品均发生了两步分解过程，这两个
步骤分别对应初级降解和燃烧过程。
从图4可以看出，无论是氮气气氛还是空气气氛,
S-BF/EP层状复合材料样品的热稳定性最高。通过
增加玄武岩纤维，复合材料的热重损失可大幅减少，这
可能是氧化物和玄武岩纤维的存在影响环氧树脂的降
解造成的。第一段降解温度对应于复合材料的起始分
解温度，在工程应用中用于确定工作温度范围，在氮气
气氛中平均为360C，而在空气气氛中平均为350Co
在这一温度下，从TGA曲线中可以观察到样品的质
量迅速损失。由此可知，相比于环氧树脂,S-BF/EP 层状复合材料的降解温度升高，当其作为建筑材料使用时，S-BF/EP层状复合材料更具优势。图3EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的FI-TR谱图
Fig3FT-IR spectra of EP blank samples and S-BF/ EP laminated composites
图4EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品在氮气和空气气氛下的TGA分析
Fig4TGA analysis of EP blank sample and S-BF/EP laminated composite in nitrogen and air
2.4耐久性能分析
对EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的力学耐久性能进行研究，将样品放入95C蒸馏水中湿热老化24h，并对样品的抗拉强度、抗弯强度随湿热老化时间进行测定，测试结果如图5所示。由图5(a)可知，随着湿热老化时间逐渐延长，EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的抗拉强度逐渐降低，但S-BF/EP层状复合材料样品的降低幅度要小于EP空白样品。湿热老化前，EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的抗拉强度分别为368和489MPa湿热老化24h后，EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的抗拉强度分别为247和372MPa，降低幅度分别为32.9%和23.9%。由图5(b)可知，随着湿热老化的时间逐渐延长，EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的抗弯强度逐渐降低,S-BF/EP层状复合材料样品的降低幅度要远远小于EP空白样品。湿热老化前,EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的抗弯强度分别为795和987MPa湿热老化24h后, EP空白样品和S-BF/EP层状复合材料样品的抗弯强度分别为504和892MPa，降低幅度分别为36.6%和9.6%。
由上述分析可知,S-BF/EP层状复合材料样品的抗拉强度和抗弯强度均高于EP空白样品样品，而且经过湿热老化后,S-BF/EP层状复合材料的性能损失也明显低于EP空白样品。
2.5断裂面SEM分析
为了有效地将应力从基体传递到纤维，从而最大限度地利用复合材料中纤维的强度，增强纤维界面与环氧树脂基体之间的界面结合至关重要。图5为S-BF/EP层状复合材料不同部位断裂面的SEM图。由图5(a)和(b)可知，纤维与环氧树脂的结合面较为粗糙，在纤维与环氧树脂的界面结合处存在大量环氧树脂颗粒碎片，这些粗糙的纤维/环氧树脂结合面和碎片均是纤维在与环氧树脂基体剥离的过程中，由于界面结合强度高，引起的树脂开裂。表明玄武岩纤维和环氧树脂界面结合较好，结合强度较高。由图5(c)和(d)可知，断裂面处的纤维被埋在环氧树脂中，由界面结合处可以看出，纤维与环氧树脂基体结合紧密，未发现裂纹或者缝隙。这也是S-BF/EP层状复合材料力学和耐久性能优异的主要原因
。
谢金等：纳米SiO 2/玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的制备和耐久性能研究
05179
(b) ・ep 空白样品
匚二IS-BF/EP 样品
Soaking time/h
Soaking time/h o o o o o
o o o o o 5
4
3
2
1
①-w u a l
图5 EP 空白样品和S-BF/EP 层状复合材料样品的力学性能
Fig 5 Mechanical properties of EP blank sample and S-BF/EP laminated composite
图6 S-BF/EP 层状复合材料样品不同断裂位置断裂
面的SEM 图
Fig 6 SEM images of fracture surfaces at different
fracture locations of S-BF/EP layered compos
ite materials
3结论
利用手工铺料法，制备了纳米SiO 2/玄武岩纤维
增强环氧树脂层状复合材料(S-BF/EP)，对S-BF/EP 层状复合材料的表面形貌、界面形貌、热解性能、力学 性能和耐久性能进行了分析，得到以下结论：
(1) 经过偶联剂改性的纳米SiO 2均匀附着在玄武
岩纤维表面，玄武岩纤维表面的粗糙度被有效地改善, 使得材料的界面相容性得到提高。
(2) S-BF/EP 层状复合材料比空白EP 样品多出
1 107和803 cm -1两个振动峰，主要是复合材料内纳米 SiO 2对应的Si-O-Si 键收缩振动引起的。
(3) S-BF/EP 层状复合材料降解温度比EP 材料
高10 C，且95 C 湿热老化后,S-BF/EP 层状复合材料
的抗拉强度和抗弯强度损失分别为23.9%和9.6%，远 低于EP 空白样品的32.9%和36.6%，说明S-BF/EP 层状复合材料在建筑材料应用方面更有优势。
(4) S-BF/EP 层状复合材料的断裂界面显示，纤
维与环氧树脂基体结合紧密，未发现裂纹或者缝隙。 这也是S-BF/EP 层状复合材料具有优异力学和耐久
性能的主要原因。参考文献：
[1]
Lee E S,Lee S M, Shanefed DJ , et al. Enhanced thermal
conductivity of polymer matrix composite via high solids
loading of aluminum nitride in epoxy resin]J]. Journal of the American Ceramic Society , 2010,91 (4) : 1169-1174.[2] Chen Y F,Geng C B, Guo H L,et al. Curing reaction ki
netics and properties of functionalized nano SiO 2-poly- ethersulfone/BMI-phenolic epoxy resin composites [ J ].
Acta Materiae Compositae Sinica2,019,36(7) : 1658-1666 (in Chinese).
陈宇飞，耿成宝，郭红缘，等.功能化纳米SiO-聚醚砜/
BMI -酚醛环氧树脂复合材料的固化动力学与性能[].复
合材料学报,2019,36(7) ：1658-1666.[3]
Scarponi C?Sarasini F ,Tirillo J,et al.Low-velocity impact
血清肌酸激酶behaviour of hemp fibre reinforced bio-based epoxy lami- nates[J].Composites Part B ： Engineering ,2016, 91(3)：
162-168.
[4] Oliwa R ,Heneczkowski M ,Oleksy M.Epoxycomposites for aviation industry[j].Polimery ,2015,60(8) : 167-178.
[5] Dwivedi U K , Trihotri M, Gupta S C,et al. Effect of car- bonnanotubesimplantationonelectricalpropertiesofsis-
al fibre-epoxy composites [J]. Composites Interface, 2017 ,
24(13):111-123.
[6] Hazem A,Nelly P,Cyril V,et al.Comparison of mechani
cal properties of a new fiber reinforced composite and bulk filling composites [J]. Restorative Dentistry & Endodon-
tics,2015,40(4) ：262-270.
[7] Zhu H M.Study on epoxy resin/fiber composite system of
reinforced concrete and its properties [D]. Chongqing ： Chongqing University ,2009(inChinese ).
朱红梅.加固混凝土环氧树脂/纤维复合体系及其性能研
究[D].重庆：重庆大学，2009.
[8] Szolnoki B,Bocz K,S6ti P L,et al.Development of natural
fibre reinforced flame retarded epoxy resin composites]].
PolymerDegradationandStability ,2015,119：68-76.
[] Mittal V , Saini R, Sinha S. Natural fiber-mediated epoxy
composites-a review]].Composites Part B ： Engineering , 2016,99(4)：
425-435.
功魅討料05180
[10]Fiore V,Di Bella G,Valenza A.Glass-basalt/epoxy hybrid
composites for marine applications[J].Materials&De-
sign,2011,32(7)：2091-2099.
[11]Asim M,Abdan K, Jawaid M,t al A review on pineappC
leaves fibre and its compositesJJ].International Journal of
Polymer Science,2015(6)：950567.
[12]Shang B Y,Yang S W.Research progress of basatt fiber
reinforced polymer compositesJJ].Chemical Industry and
EngineeringProgress,2011(8)：1766-1771(inChinese).
尚宝月，杨绍斌.玄武岩纤维聚合物复合材料的研究进展
[J]化工进展,011(8):17661771
[13]Czigdny T.Trends in fiber reinforcements-the future be
longs to basatt fiber[J].Express Polymer Letters,2007,1
(2)：59-65.
[14]Tirilld J,Ferrante L,Sarasini F,et al Highvelocity impact
behaviour of hybrid basalt-carbon/epoxy composites[J].
CompositeStructures,2017,168(21)：305-312.
[15]SureshaB,GuggareSL,RaghavendraN V.E f ectofTiO2
filler loading on physico-mechanical properties and abra
sion of jute fabric reinforced epoxy compositesJJ].Materi
als Ences&Applications,2016,7(9)：510-526.
[16]Raajeshkrishna C R,Chandramohan P,Saravanan V S.
Thermomechanical characterization and morphological a-2021年第5期(2)卷
nalysis of nano basatt reinforced epoxy nanocomposites
城市生活e站
[J].International Journal of Polymer Analysis and Charac-
terization,2020,25(4)1-11.
[17]Matykiewicz D.Biochar as an effective filler of carbon fiber
为什么植树是义务
reinforced bio-epoxy composites[J].Processes,2020,8
(6)
,724-731.
[18]Scalici T,Pitarresi G,Badaglacco D,et al Mechanical
properties of basatt fiber reinforced composites manufac
tured with di f erentvacuum assistedimpregnationtech-
niques[J].Composites part B-engineering,2016,104(1),
35-43.
[19]Nautiyal M,Shrinet A,Ramachandran M.Mechanical,
thermal and morphological characterization of basatt fibre
composite—a review]J].IOP Conference Series:Materials
Science and Engineering,2020,810(29)：012043-012051
[20]Sarasini F,Tirill J,Valente M,et al Hybrid composites
based on aramid and basatt woven fabrics:impact damage
modes and residual flexural properties[J].Materials&厦门px事件
Design,2013,49(8),290-302.
[21]Li X,Li G,SuX,t al.Synergistic reinforcement of epoxy/
basatt fiber composites with dimensionallydifferent nano
particles[J].Polymer Engineering and Science,2019,59
(4),730-735.
Preparation anddurability of nano SiO2/basalt fiber
reinforced epoxy resin composites
XIE Jin1，2,YANG Weijun1
(1School of Civil Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha410114?China;
2.School of Civil Engineering,Huran City University,Yiyang413000?China)
Abstract:Firstly,the modified nano S1O2material is compounded with basatt fiber by sizing method・Then,the nano S1O2/basatt fiber reinforced epoxy resin laminated composite(S-BF/EP)is prepared by manual paving method.The surface morphology and interface morphology of modified basatt fiber and basatt fiber/epoxy resin laminated composites are studied by SEM.The molecular structure,pyrolysis properties and durability of the composites are studied by FT—IR,TGA and universal mechanical testing machine.The results show that nano S1O2is successfully modified by coupling agent and attached to the surface of basatt fiber,and the surface roughness of basatt fiber i
s effectively improved・The shrinkage vibration of Si—O—Si bond corresponding to nano S1O2in S-BF/EP laminated composite make S-BF/EP laminated composite have two vibration peaks of1107and 803/cm more than that of blank EP sample.The degradation temperature of S-BF/EP laminated composite is 10°C higher than that of EP,and it has more advantages in the application of building materials.The tensile strength and bending strength of S-BF/EP laminated composite are489and987MPa respectively,which are higher than368and795MPa of epoxy resin sample.After aging at95C,he tensile strength and flexural strength loss of S-BF/EP laminated composites are23.9%and9.6%respectively,which are significantly lower than32.9%and36.6%ofblankEPsamples.SEM analysisoffracturesurfaceshowthatthefiberinS-BF/EP laminated composite is tightly bonded with epoxy resin matrix,andnocrackorcrackisfound.
Key words:basalt fiber；epoxy resin composite；nano SiO2;durability
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议