全 文 ：第 2期 10
2 0 0年 6月
纤 维 复 合 材 料
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2
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2 0 00
硅烷偶联剂对滑石粉 、 空心玻璃微珠表面
改 性 的 研 究
张东兴 黄龙男 王荣国 王 洋
(哈尔滨建筑大学材料科学与工程系 , 1 5 0 00 6)
摘 要 本文用硅烷偶联剂 KH 一 5 70 对滑石粉 、 空心玻璃微珠进行表面处理 , 并对改性无机填料填充 LTP 树脂
浇铸体及其 G F R P 的力学性能进行了测试 。 对测试结果的分析表明 : 填料的加人使 U P树脂浇铸体 、 G F R P 的模量
上升 、强度下降 ,而填料经偶联剂改性后 ,其填充体系的各项力学性能均有提高 , 并用化学键理论进行了解释 。
关键词 硅烷偶联剂 :表面改性 : 预处理法
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玻璃钢 / 树脂基复合材料 ( G FR )P 与传统的建
筑材料相比 , 具有轻质 、 高强 、 耐腐蚀 、 保温 、 耐老
化 、 透光 、 抗震 (塑性破坏 ) 、 成型方便等优异性能 ,
广泛应用于建筑领域 , 如各种异型建筑结构物 (屋
顶 、 岗亭等 ) , 建筑物 内外装修件 (层檐 、 罗马柱 、 吊
顶 、 假山 、 动物造型等 ) ; 又如新近开发的玻璃钢筋
增强混凝土 , 因其解决了钢筋锈蚀问题 , 在 国外 已
成为研究热点 ,并逐渐商业化和规模化生产应用 。
但玻璃钢成本较高 , 是制约其应用发展的瓶
颈 。 无机填料因价廉易得 ,广泛应用于玻璃钢行业 ,
以期降低成本 。 不仅如此 , 无机填料的加人还能提
高材料的刚性 、 硬度 、 尺寸稳定性 , 以及赋予材料某
些特殊的物化性能 , 如腐蚀性 、 阻燃性和绝缘性
等。 滑石粉 、 空心玻璃微珠属于极性的水不溶物质 ,
当它们分散于极性极小的有机高分子树脂中 , 因极
性的差别 , 造成二者相溶性不好 , 直接或过多地填
充往往容易导致材料的某些力学性能下降以及易
脆化等缺点 , 从而对制品的加工性能和使用性能带
来负面影响 。 本文采用硅烷偶联剂对两种填料的表
面进行改性处理 , 着重讨论了硅烷偶联剂对填料表
面改性在力学性能方面的贡献 。
1 实验技术
1
.
1 实验用原材料 、 仪器及设备
不饱和聚醋树脂 ( U )P 191 仲 江苏富丽化工厂
T P W
一 S A 型万能电子试验机 长春智能仪器研究所
硅烷偶联剂 南京曙光化工厂
空心玻璃微珠 市售
滑石粉 市售
1
.
2 试件的制备
先将滑石粉 、 空心玻璃微珠烘干备用 。
实验采用表面化学改性 中的预处理法 , 即先将
硅烷遇联剂配成溶液 , 用它处理填料后再与树脂混
合 ,其过程如下 :
按 1 : 1 的比例 (重量比 ) 将硅烷偶联剂 KH -
57 0 配成溶液 ,搅拌均匀 。 将溶液滴入烘干后 的滑石
粉和空心玻璃微珠中 , 搅拌 40 一 60 分钟 , 使处理剂
充分包覆填料 。 然后将处理后的填料放人烘箱中 ,
烘箱温度保持在 80 ℃ , 恒温 3 小时后 , 取 出放人密
封容器内备用 。
根据相关标准 ,制备空心玻璃微珠 、 滑石粉填料
树脂浇铸体及 G FR P 试件 , 放置 48 小时以上 , 使其
充分固化 。
2期 张东兴等 ;硅烷偶联剂对滑石粉 、 空心玻璃微珠表面改性的研究
2试验结果与分析
2
.
1填料 、 处理剂对 UP树脂浇铸体力学性能的影
响
P u树脂浇铸体的力学性能按国际《树脂浇铸体
拉伸性能和弯曲性能试验方法》 进行测试 , 测试结
果见图 1 一 图 o8
2
.
1
.
1 填料种类 、 含量对 UP 树脂浇铸体 力学性能
的影响
由图 1 一 图 8 可 以看出 : 随填料含量的增加 , 浇
铸体的拉伸强度 、 弯曲强度均逐渐下降 , 其中空心
玻璃微珠填充体系最为明显 。 拉伸模量 、 弯曲模量
则随填料含量的增加而逐渐增大 。 拉伸强度 、 弯曲
强度随填料含量增加而下降的原因是由于填料和
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图 4 滑石粉对 U P树脂体弯曲强
度的影响
图 5 空心玻璃微珠对 U P树脂体
拉伸模量的影响
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滑石粉对 U P树脂体拉伸模
量的影响
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滑石粉对 U P树脂体弯曲模
量的影响
图 9 空心玻璃微珠对 G F R P拉伸
强度的影响
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空心玻璃微珠对 U P树脂体
弯曲模量的影响
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图 10 滑石粉对 G F RP 拉伸强度
的影响
图 1 空心玻璃微珠对 G FR P弯
曲强度的影响
树脂基体之间的弱界面造成的 ; 同时 , 填料在基体
中的分散不均匀也是一个重要的原因 。 即使是填料
被树脂良好浸润 , 填充体系无空隙 , 但在受力截面
上基体树脂的面积必然小于纯树脂构成的材料面
积 ,从而使单位面积承受的应力增大 ,表现为宏观强
度下降 。 实际上 ,填料与基体表面的极性差别较大 ,
12 纤 维 复 合 材 料 2 0 0 年
造成相溶性不好 , 分散不均匀 , 成为应力集中源 , 是
导致最终强度下降的另一方面原因 。
拉伸模量 、 弯曲模量随填料含量增加呈现明显
的增长趋势 , 主要是由于填料的模量比基体的模量
大许多倍造成的 。 大量的研究结果表明 , 即使填料
与基体之间没有较强的相互作用 , 含有刚性微粒填
料的基体体系的模量也有所提高 , 且当填料颗粒的
纵横比比较大时 ,填料体系的模量也会显著增大 。
2
.
1
.
2 处理剂含量对 UP 树脂浇铸体力学性能的
影响
由图 1 一 图 8 可知 , 随着处理剂含量的增加 , 填
充体系浇铸体的拉伸强度 、 弯曲强度均有提高 。 处
理剂含量为 O 一 1 . 0% 区间变化时 , 拉伸强度 、 弯曲
强度呈线性增加 , 而含量达 1 . 5% 时 , 其强度反而降
低 , 这表明处理剂的加人改变了填料与基体间的界
面粘结性能 , 降低了两相之间的极性 , 提高了填料
在基体中的分散性 。 但是 , 当填料表面尽可能地被
处理剂分子包覆后 , 多余部分的处理剂分子在填料
表面会形成多分子层 , 使填料体系的强度下降 。 化
学键理论 、 变形层理论和拘束层理论对此均给出了
较好的解释 。
2
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2 填料 、 处理剂对 U P 树脂体系 G FR P 力学性能
的影响
G F R P 的力学性能按国际 《玻璃纤维增强塑料
拉伸性能 、 弯曲性能试验方法》进行测试 , 测试结果
见 图 9 一 图 120
2
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2
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1 填料种类 、含量 G FRP 力学性能的影响
由图 9 一 图 12 可知 ,随着填料的加入 , G F RP 的
拉伸强度 、 弯曲强度均表现出不同程度的下降 , 其
中以空心玻璃微珠填充的 G F RP 体系降低幅度最
大 ,滑石粉填充 G FR P 体系的降低幅度最小 。 且当填
料含量超过 30 % 以上时 , 强度不再因处理剂含量的
增加而增大 。
2
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2
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2 处理剂含量对 U P 树脂体系 G F R P 力学性
能的影响
从图中可以看出 : 随着处理剂的加人及含量的
增加 , 填料填充体系的 G F RP 的拉伸强度 、弯曲强度
均有相应程度的提高 , 且拉伸强度的增长幅度较弯
曲的强度增长幅度大 。 当处理剂含量为 1 . 0% -
1
.
5% 时 , 滑石粉填充 G F R P体系的拉伸强度 、 弯曲
强度的增长幅度较小 , 说明 1 . 0% 是一个较为合适
的用量 。超过这一含量 ,就失去了力学与经济意义 。
处理剂含量对 U P 树脂体系 G FR P 力学性能的影响
同时受填充体系中填料含量的影响 。 当填料含量在
体系中超过一定比例时 , 、 提高处理剂含量已经失去
意义 。
3 结 论
极性无机填料滑石粉 、 空心玻璃微珠的直接加
人使树脂基复合材料的强度显著下降 , 而由硅烷偶
联剂进行表面改性后 ,填充体系的强度 、模量均有明
显 的提高 , 改性效果 良好 , 具有较好的实际应用价
值 。
参 考 文 献
陈华辉 ,邓海金 ,李明 , 林小松 . 现代复合材料 . 北京 : 中国物资
出版社 , 19 9 8
郑水林 . 粉体表面改性 . 北京 : 中国建材工业出版社 , 19 95
E
.
P
. 普罗德曼主编 . 聚合物基体复合材料中的界面 . 北京 : 中
国建筑出版社 , 19 95
刘英俊 ,刘伯元主编 . 塑料填充改性 . 北京 : 中国轻工业出版
社 , 19 9 8
冼杏娟 ,李端义 , 复合材料破坏分析及微观图谱 . 北京 : 科学出
版社 , 19 9 3
小 资 料
F R P 制造氧化氮洗涤塔
英国 oF ht e s 公司为减少氧化氮 ( N O : )气体的排放 , 用 F RP 设计建造了湿法洗涤塔 。 该公司以前 N O 二 气
体的排放浓度为 64 0 o m g / 耐 ,远高于环保部门规定的指标 ,采用 F RP 湿法洗涤塔后 , N o : 排放浓度达到低于
2 0 0 m g / m
, 的 目标 。
For be s 公司的 FR P 湿法洗涤塔 , 采用 N PG 基树脂做基体 , 内衬未增塑或硬聚氯乙烯片 , 该塔满足长期 、
苛刻的化学腐蚀环境的要求 。 整个系统由两个洗涤塔组成 ,每一个直径为 2 米 , 高约 1 米 , 洗涤介质为硝酸
和过氧化氢的混合物 。
苏 峰译