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摘 要： 摘要為改善自修復(fù)材料中微膠囊的分散性及其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，采用KH550和KH560偶聯(lián)劑對(duì)微膠囊表面進(jìn)行改性處理，研究自修復(fù)微膠囊在玻璃織物增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)中的分散性及其織物彎曲性能。結(jié)果表明，用KH560偶聯(lián)劑處理后，自修復(fù)微膠囊在GFRP的分
摘要為改善自修復(fù)材料中微膠囊的分散性及其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，采用KH550和KH560偶聯(lián)劑對(duì)微膠囊表面進(jìn)行改性處理，研究自修復(fù)微膠囊在玻璃織物增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)中的分散性及其織物彎曲性能。結(jié)果表明，用KH560偶聯(lián)劑處理后，自修復(fù)微膠囊在GFRP的分散性能改善達(dá)64.7%，優(yōu)于KH550偶聯(lián)劑，但使得制備的GFRP的彎曲強(qiáng)度降低。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑處理后微膠囊與樹脂基體界面良好。
關(guān)鍵詞偶聯(lián)劑;玻璃織物增強(qiáng)復(fù)合材料;自修復(fù);微膠囊;分散性;彎曲性
玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于建筑的改建、修復(fù)和加固¨，但是此材料在長(zhǎng)期的使用過程會(huì)產(chǎn)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(yù)埋入加固材料中就能實(shí)現(xiàn)裂紋的自修復(fù)。
微膠囊在自修復(fù)材料尚存在分散難的問題，也是制約微膠囊修復(fù)材料應(yīng)用的難點(diǎn)，而且微膠囊的分散性直接關(guān)系到自修復(fù)材料的修復(fù)效率，因此改善微膠囊的分散性十分必要。在文獻(xiàn)報(bào)道中，多采用機(jī)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(qiáng)度所限其分散性能改善程度有限。季小勇等發(fā)現(xiàn)用KH560偶聯(lián)劑處理炭黑表面且經(jīng)機(jī)械攪拌，其制備的環(huán)氧樹脂件中炭黑會(huì)以單顆粒狀態(tài)存在。李海燕等用KH550偶聯(lián)劑處理自修復(fù)微膠囊壁后，發(fā)現(xiàn)微膠囊與樹脂的界面黏合力增加，而且硅烷偶聯(lián)劑能夠降低材料的表面能，因此，本文選擇KH550和KH560偶聯(lián)劑對(duì)微膠囊表面進(jìn)行處理，對(duì)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(duì)微膠囊與純樹脂基體的界面進(jìn)行分析。本文的研究成果可以為自修復(fù)微膠囊在建筑加固領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。
1試樣制備
1.1原材料
玻璃纖維平紋織物，經(jīng)緯密為11根/era×12根/cm;面密度為425g/m;厚度為0.65mm。經(jīng)紗線密度為489tex，緯紗線密度為482tex。
自修復(fù)樹脂體系：樹脂選用環(huán)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(fù)精細(xì)化工研究所)。樹脂配方為m(環(huán)氧樹脂)：m(固化劑)=100：12。其中所使用的自修復(fù)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(xiàn)[7]。考慮到微膠囊含量對(duì)純樹脂件力學(xué)性能的影響，取m(微膠囊)：m(環(huán)氧樹脂)=3：100。所使用的ENB自修復(fù)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(jù)TGA測(cè)試，自修復(fù)微膠囊的最高耐熱溫度為285℃。
1.2偶聯(lián)劑處理
1.2.1偶聯(lián)劑用量計(jì)算
偶聯(lián)劑用量與偶聯(lián)劑種類和顆粒的比表面積有關(guān)，假定硅烷偶聯(lián)劑以單分子層覆蓋在顆粒表面，則偶聯(lián)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(lián)劑，配成5%的偶聯(lián)劑水溶液。然后取一定量的溶液，加入2g微膠囊，使偶聯(lián)劑與微膠囊質(zhì)量比為1：2，充分?jǐn)嚢韬箪o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(fù)GFRP板的制備
微膠囊自修復(fù)GFRP板按手糊法成型。將玻璃纖維平紋織物沿經(jīng)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(jīng)KH550、KH560偶聯(lián)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(nèi)抽真空15min固化成形后制備成2mm厚的自修復(fù)玻璃織物層合板，層合板截面圖見圖2。
2測(cè)試實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理
織物增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)}昆凝土柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)主要承受彎曲力作用，并且加固材料的彎曲強(qiáng)度直接關(guān)系到被加固混凝土柱的服務(wù)壽命，因此對(duì)微膠囊GFRP層合板進(jìn)行彎曲性能測(cè)試。參照ASTMD790—1999《未增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料以及電絕緣材料彎曲性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》，試樣長(zhǎng)為80mm。為保證自修復(fù)層合板最外層纖維首先破壞，以減少層間剪切破壞發(fā)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(yàn)機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司)以加載速度為2mm/min，對(duì)GFRP層合板的彎曲性能進(jìn)行測(cè)試，得到彎曲應(yīng)力與應(yīng)變曲線。根據(jù)得到的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變曲線得到每個(gè)微膠囊自修復(fù)GFRP層合板的彎曲強(qiáng)度，再根據(jù)彎曲強(qiáng)度的波動(dòng)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(jié)果與分析
3.1分散性分析
表1示出經(jīng)KH550和KH560偶聯(lián)劑處理后微膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的自修復(fù)GFRP層合板的彎曲強(qiáng)度。由于每次合成的微膠囊有限，每組做成的試樣個(gè)數(shù)為5個(gè)，但有效試件個(gè)數(shù)為3。圖3示出處理前后GFRP層合板彎曲應(yīng)力與應(yīng)變曲線。由圖可見，經(jīng)KH560處理的微膠囊自修復(fù)層合板在平均值附近波動(dòng)較小。KH550處理的最大波動(dòng)范圍為±1.84MPa，KH560處理的最大波動(dòng)范圍為±0.894MPa，未處理的最大波動(dòng)范圍為±2.53MPa。相比未處理的微膠囊GFRP層合板，經(jīng)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(duì)于偶聯(lián)劑處理的微膠囊自修復(fù)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(lián)劑處理方法是實(shí)現(xiàn)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(fù)GFRP層合板的彎曲應(yīng)力與應(yīng)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(yīng)力，第3個(gè)階段隨著彎曲應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力降低。在以上3個(gè)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(xiàn)彈性變形，此時(shí)最外層含微膠囊樹脂承受主要載荷;隨著彎曲應(yīng)變的增加，應(yīng)力緩慢增加，塑性變形增加，微膠囊、織物和樹脂同時(shí)承受載荷，微膠囊開始出現(xiàn)破裂且隨著應(yīng)變?cè)黾樱椢锍惺艿妮d荷越來越大;當(dāng)彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，出現(xiàn)屈服點(diǎn)，塑性變形達(dá)到最大，此時(shí)自修復(fù)層合板并未斷裂，能夠繼續(xù)承受載荷;在屈服點(diǎn)后，隨著應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力反而下降，這與微膠囊與織物的黏彈性有關(guān)。
經(jīng)KH550、KH560處理及未處理試樣，當(dāng)達(dá)到最大彎曲強(qiáng)力時(shí)的彎曲應(yīng)變分別為3.227%、3.214%和3.597%，即微膠囊經(jīng)偶聯(lián)劑處理后自修復(fù)層合板的彎曲強(qiáng)度下降，其對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)變降低。對(duì)于KH550和KH560偶聯(lián)劑處理的微膠囊，其制備的自修復(fù)層合板的彎曲應(yīng)力分別下降16.8%，9.26%，彎曲應(yīng)變分別下降10.3%，10.65%。偶聯(lián)劑處理后彎曲應(yīng)力的降幅較大，且KH560處理較KH550處理降幅要小。偶聯(lián)劑處理降低了微膠囊自修復(fù)層合板的彎曲應(yīng)力和彎曲應(yīng)變，這可能是由于偶聯(lián)劑處理增加了微膠囊與樹脂基體的界面脆性，當(dāng)復(fù)合材料承受彎曲力時(shí)，產(chǎn)生的裂紋在界面不易傳遞擴(kuò)展，容易造成應(yīng)力集中導(dǎo)致最終整體的微膠囊自修復(fù)GFRP層合板的彎曲性能下降。
由圖2、3可見，偶聯(lián)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(fù)層合板的彎曲強(qiáng)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(qiáng)度較環(huán)氧樹脂低所致。但對(duì)于KH560處理的微膠囊自修復(fù)層合板來說，其分散性的改善程度要明顯高于彎曲強(qiáng)度的下降程度，且經(jīng)KH560處理后彎曲強(qiáng)度較未處理的僅下降9.26%，該強(qiáng)度的下降可以通過降低偶聯(lián)劑的使用量或改變偶聯(lián)劑的處理溫度來改善。
3.3界面分析
為驗(yàn)證偶聯(lián)劑處理后微膠囊與環(huán)氧樹脂基體的界面性質(zhì)，且避免加入第3項(xiàng)玻璃織物對(duì)復(fù)合材料層合板的影響，將試件做成長(zhǎng)為116mrfl，寬為19mln，最窄處寬為6mill的啞鈴型微膠囊純環(huán)氧樹脂件后，用Instron萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)將試件拉斷，對(duì)斷面用掃描電鏡(KYKY.2500)觀察，結(jié)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(huán)氧樹脂界面黏接良好，且在微膠囊斷面邊緣有弓形裂紋產(chǎn)生，這是微膠囊提高復(fù)合材料韌性的原因¨。圖4(b)示出經(jīng)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(jīng)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(jīng)KH550和KH560偶聯(lián)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(jīng)偶聯(lián)劑處理后制備的自修復(fù)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(jīng)KH560處理的微膠囊自修復(fù)環(huán)氧樹脂件的彈性模量為2.91GPa，拉伸斷裂載荷為934N，斷裂伸長(zhǎng)率為2.259%，其拉伸指標(biāo)均滿足建筑加固中對(duì)樹脂體系的力學(xué)性能要求川]，因此該自修復(fù)樹脂體系可以用于建筑加固修復(fù)領(lǐng)域。
4結(jié)論
1)經(jīng)KH550和KH560處理后的微膠囊在自修復(fù)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(dá)到64.7%，但彎曲強(qiáng)度較未處理的下降9.26%。且KH560處理后微膠囊與環(huán)氧樹脂界面黏合好。
2)KH560偶聯(lián)劑是用于自修復(fù)微膠囊的良好分散劑，該處理引起的微膠囊自修復(fù)GFRP層合板彎曲強(qiáng)度下降可通過改變偶聯(lián)劑用量和處理溫度來改善。
3)采用微膠囊修復(fù)GFRP可以用于建筑物的加固修復(fù)，它是一種新型的不需人工干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)修復(fù)的新方法，未來將會(huì)在建筑加固領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。
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