發布時間：2020-04-07所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要為改善自修復材料中微膠囊的分散性及其對復合材料力學性能的影響，采用KH550和KH560偶聯劑對微膠囊表面進行改性處理，研究自修復微膠囊在玻璃織物增強復合材料(GFRP)中的分散性及其織物彎曲性能。結果表明，用KH560偶聯劑處理后，自修復微膠囊在GFRP的分
摘要為改善自修復材料中微膠囊的分散性及其對復合材料力學性能的影響，采用KH550和KH560偶聯劑對微膠囊表面進行改性處理，研究自修復微膠囊在玻璃織物增強復合材料(GFRP)中的分散性及其織物彎曲性能。結果表明，用KH560偶聯劑處理后，自修復微膠囊在GFRP的分散性能改善達64.7%，優于KH550偶聯劑，但使得制備的GFRP的彎曲強度降低。通過SEM觀察發現，偶聯劑處理后微膠囊與樹脂基體界面良好。
關鍵詞偶聯劑;玻璃織物增強復合材料;自修復;微膠囊;分散性;彎曲性
玻璃纖維增強復合材料(GFRP)目前已經成功應用于建筑的改建、修復和加固¨，但是此材料在長期的使用過程會產生微裂紋，從而縮短材料的使用壽命和抗震安全性。將微膠囊預埋入加固材料中就能實現裂紋的自修復。
微膠囊在自修復材料尚存在分散難的問題，也是制約微膠囊修復材料應用的難點，而且微膠囊的分散性直接關系到自修復材料的修復效率，因此改善微膠囊的分散性十分必要。在文獻報道中，多采用機械攪拌和超聲波等物理方法改善其分散性J，但是由于膠囊強度所限其分散性能改善程度有限。季小勇等發現用KH560偶聯劑處理炭黑表面且經機械攪拌，其制備的環氧樹脂件中炭黑會以單顆粒狀態存在。李海燕等用KH550偶聯劑處理自修復微膠囊壁后，發現微膠囊與樹脂的界面黏合力增加，而且硅烷偶聯劑能夠降低材料的表面能，因此，本文選擇KH550和KH560偶聯劑對微膠囊表面進行處理，對比探討處理后微膠囊在GFRP中的分散性和GFRP的彎曲性能，并對微膠囊與純樹脂基體的界面進行分析。本文的研究成果可以為自修復微膠囊在建筑加固領域中的應用提供參考。
1試樣制備
1.1原材料
玻璃纖維平紋織物，經緯密為11根/era×12根/cm;面密度為425g/m;厚度為0.65mm。經紗線密度為489tex，緯紗線密度為482tex。
自修復樹脂體系：樹脂選用環氧E一51(天津樂泰化工連鎖超市)，固化劑采用二乙烯三胺DETA(天津市光復精細化工研究所)。樹脂配方為m(環氧樹脂)：m(固化劑)=100：12。其中所使用的自修復微膠囊為三聚氰胺脲醛(MUF)/亞乙基降冰片烯(ENB)膠囊，其制備方法參考文獻[7]。考慮到微膠囊含量對純樹脂件力學性能的影響，取m(微膠囊)：m(環氧樹脂)=3：100。所使用的ENB自修復微膠囊表面形貌以及粒徑分布見圖1。由圖可知，微膠囊的直徑在50～170m之間，平均直徑為111.187p,m。根據TGA測試，自修復微膠囊的最高耐熱溫度為285℃。
1.2偶聯劑處理
1.2.1偶聯劑用量計算
偶聯劑用量與偶聯劑種類和顆粒的比表面積有關，假定硅烷偶聯劑以單分子層覆蓋在顆粒表面，則偶聯劑所需用量為
1.2.2處理方法
在一定量的蒸餾水中加入KH550和KH560偶聯劑，配成5%的偶聯劑水溶液。然后取一定量的溶液，加入2g微膠囊，使偶聯劑與微膠囊質量比為1：2，充分攪拌后靜置20min，后用蒸餾水過濾，并于常溫下干燥24h。
1.3微膠囊自修復GFRP板的制備
微膠囊自修復GFRP板按手糊法成型。將玻璃纖維平紋織物沿經紗方向裁成150mm×100mm的矩形織物備用，然后將E一51樹脂、DETA固化劑與經KH550、KH560偶聯劑處理、未處理的微膠囊在300r/min下攪拌15rain，接著放人35℃的真空箱內抽真空15min固化成形后制備成2mm厚的自修復玻璃織物層合板，層合板截面圖見圖2。
2測試實驗及數據處理
織物增強復合材料對}昆凝土柱結構進行加固時主要承受彎曲力作用，并且加固材料的彎曲強度直接關系到被加固混凝土柱的服務壽命，因此對微膠囊GFRP層合板進行彎曲性能測試。參照ASTMD790—1999《未增強和增強塑料以及電絕緣材料彎曲性能測試標準》，試樣長為80mm。為保證自修復層合板最外層纖維首先破壞，以減少層間剪切破壞發生的概率，選擇跨厚比L/h=40。因其試樣厚為2film，因此跨距取80mm，試樣寬度為15mm。用Instron3369萬能拉伸試驗機(美國英斯特朗公司)以加載速度為2mm/min，對GFRP層合板的彎曲性能進行測試，得到彎曲應力與應變曲線。根據得到的彎曲應力與應變曲線得到每個微膠囊自修復GFRP層合板的彎曲強度，再根據彎曲強度的波動范圍得到KH550處理和KH560處理的微膠囊件的分散性改善度：
3結果與分析
3.1分散性分析
表1示出經KH550和KH560偶聯劑處理后微膠囊質量分數為3%的自修復GFRP層合板的彎曲強度。由于每次合成的微膠囊有限，每組做成的試樣個數為5個，但有效試件個數為3。圖3示出處理前后GFRP層合板彎曲應力與應變曲線。由圖可見，經KH560處理的微膠囊自修復層合板在平均值附近波動較小。KH550處理的最大波動范圍為±1.84MPa，KH560處理的最大波動范圍為±0.894MPa，未處理的最大波動范圍為±2.53MPa。相比未處理的微膠囊GFRP層合板，經KH560處理后其分散性改善度為64.7%，而KH550處理后分散性改善度僅為27.2%。可見，對于偶聯劑處理的微膠囊自修復層合板來說，KH560處理的分散改善度較KH550處理要高37.5%，也就是說KH560偶聯劑處理方法是實現微膠囊分散的最佳方法。
3.2彎曲性能分析
如圖3所示，未處理、KH550處理及KH560處理微膠囊自修復GFRP層合板的彎曲應力與應變曲線形狀大致相同，均是第1階段呈線性增加，第2階段非線性緩慢增加至最大彎曲應力，第3個階段隨著彎曲應變增加應力降低。在以上3個階段，微膠囊、樹脂以及玻璃織物三相的受力情況為：初始階段呈現彈性變形，此時最外層含微膠囊樹脂承受主要載荷;隨著彎曲應變的增加，應力緩慢增加，塑性變形增加，微膠囊、織物和樹脂同時承受載荷，微膠囊開始出現破裂且隨著應變增加，織物承受的載荷越來越大;當彎曲應力達到最大值時，出現屈服點，塑性變形達到最大，此時自修復層合板并未斷裂，能夠繼續承受載荷;在屈服點后，隨著應變增加應力反而下降，這與微膠囊與織物的黏彈性有關。
經KH550、KH560處理及未處理試樣，當達到最大彎曲強力時的彎曲應變分別為3.227%、3.214%和3.597%，即微膠囊經偶聯劑處理后自修復層合板的彎曲強度下降，其對應的彎曲應變降低。對于KH550和KH560偶聯劑處理的微膠囊，其制備的自修復層合板的彎曲應力分別下降16.8%，9.26%，彎曲應變分別下降10.3%，10.65%。偶聯劑處理后彎曲應力的降幅較大，且KH560處理較KH550處理降幅要小。偶聯劑處理降低了微膠囊自修復層合板的彎曲應力和彎曲應變，這可能是由于偶聯劑處理增加了微膠囊與樹脂基體的界面脆性，當復合材料承受彎曲力時，產生的裂紋在界面不易傳遞擴展，容易造成應力集中導致最終整體的微膠囊自修復GFRP層合板的彎曲性能下降。
由圖2、3可見，偶聯劑的加入提高了微膠囊在基體中分散的均勻性，但使得微膠囊自修復層合板的彎曲強度下降，這可能是由于隨微膠囊分散性的提高微膠囊被破壞的概率增加并且填充微膠囊的強度較環氧樹脂低所致。但對于KH560處理的微膠囊自修復層合板來說，其分散性的改善程度要明顯高于彎曲強度的下降程度，且經KH560處理后彎曲強度較未處理的僅下降9.26%，該強度的下降可以通過降低偶聯劑的使用量或改變偶聯劑的處理溫度來改善。
3.3界面分析
為驗證偶聯劑處理后微膠囊與環氧樹脂基體的界面性質，且避免加入第3項玻璃織物對復合材料層合板的影響，將試件做成長為116mrfl，寬為19mln，最窄處寬為6mill的啞鈴型微膠囊純環氧樹脂件后，用Instron萬能拉伸試驗機將試件拉斷，對斷面用掃描電鏡(KYKY.2500)觀察，結果見圖4
圖4(a)為未處理的微膠囊斷面圖。微膠囊斷面光滑，說明微膠囊壁與環氧樹脂界面黏接良好，且在微膠囊斷面邊緣有弓形裂紋產生，這是微膠囊提高復合材料韌性的原因¨。圖4(b)示出經KH550處理的微膠囊被抽拔出來形成的孔洞。微膠囊斷面凹凸不平且樹脂碎片較多，這是由于微膠囊與樹脂界面黏接不牢所致。圖4(c)示出經KH560處理的微膠囊樹脂件的光滑斷面。說明KH560處理后微膠囊與樹脂界面黏接好。經KH550和KH560偶聯劑處理較未處理件樹脂脆片較多且拉伸斷面更平整，說明微膠囊經偶聯劑處理后制備的自修復樹脂件的脆性增加。KH560處理微膠囊與樹脂界面較KH550處理要好。經KH560處理的微膠囊自修復環氧樹脂件的彈性模量為2.91GPa，拉伸斷裂載荷為934N，斷裂伸長率為2.259%，其拉伸指標均滿足建筑加固中對樹脂體系的力學性能要求川]，因此該自修復樹脂體系可以用于建筑加固修復領域。
4結論
1)經KH550和KH560處理后的微膠囊在自修復GFRP層合板中的分散性改善度較高，其中KH560處理微膠囊的分散性改善度達到64.7%，但彎曲強度較未處理的下降9.26%。且KH560處理后微膠囊與環氧樹脂界面黏合好。
2)KH560偶聯劑是用于自修復微膠囊的良好分散劑，該處理引起的微膠囊自修復GFRP層合板彎曲強度下降可通過改變偶聯劑用量和處理溫度來改善。
3)采用微膠囊修復GFRP可以用于建筑物的加固修復，它是一種新型的不需人工干預就能實現修復的新方法，未來將會在建筑加固領域有良好的應用前景。
相關期刊推薦：《紡織學報》(月刊)創刊于1979年，系中國紡織工程學會會刊，主要報道國內外最新紡織科研成果，學術理論探討，新技術、新產品、新設備的開發，國內外紡織動向綜述或評論等，在行業內具有廣泛影響，具有很高的學術性和權威性，代表著我國紡織科學技術的發展水平。
SCISSCIAHCI
