玄武岩纤维对FRP复合材料力学性能和耐热性能的影响

Effect of Basalt Fiber on Mechanical Properties and Heat Resistance of FRP Composites

摘要

采用改性玄武岩纤维（BF）增强环氧树脂（EP），制备性能优异的纤维增强复合材料（FRP），研究其力学性能和耐热性能。结果表明：采用硅烷偶联剂KH550改性BF增加了BF表面的粗糙度。随着改性BF添加量的增加，FRP的拉伸强度和弯曲强度先增大后减小，冲击强度先显著增大后缓慢增大。随着改性BF添加量的增加，FRP的热稳定性不断提高，改性BF添加量低于3份时，FRP的热稳定性显著提高，继续增加BF添加量，FRP的热稳定性缓慢提高。改性BF添加量为3份时，FRP的综合力学性能和耐热性能最优，此时的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别比纯EP提高56.6%、67.9%和86.1%；FRP的耐热性能增强，热分解的初始降解温度提高66 ℃，质量损失率降低8.8%。

关键词

纤维增强复合材料 / 玄武岩纤维 / 环氧树脂 / 力学性能 / 耐热性能

Key words

FRP / BF / EP / Mechanical properties / Heat resistance

纤维增强复合材料(FRP)是以聚合物树脂为基体、纤维为增强材料制备的一种新型材料^[1]。FRP具有强度高、质量轻、电绝缘性好和耐久性能优异等优点^[2-3]，被广泛应用于交通^[4-5]、汽车^[6]、电力^[7]、建筑^[8]和化工^[9]等各个领域。比如在电力行业，传统的混凝土、钢管混凝土做成的电杆、杆塔质量重、易锈蚀或开裂等，导致耐久性差、使用寿命较短，而FRP制作的输电线路电杆、杆塔不仅自重轻，而且抗拉、抗弯强度高，耐久性好^[10]。近年来，国内外已开发多种FRP。目前，FRP的基体树脂主要包括聚丙烯、酚醛树脂、聚氨酯和环氧树脂等。相比其他树脂，环氧树脂(EP)的性能更加优异，EP具有优异的耐热、耐腐蚀性能，黏结性、浸润性好，电绝缘性高，价格低廉，易加工，因此EP是制备FRP常用的基体树脂^[11-13]。改性增强EP制备FRP复合材料主要是向EP中加入玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和玄武岩纤维等^[13]。沈琪斌等^[14]利用改性玻璃纤维(GF)增强EP，制备EP/GF复合材料。结果表明：GF的掺入提高了复合材料的力学性能，当GF掺入质量分数为30%时，复合材料的弯曲强度、冲击强度、拉伸强度和硬度分别比纯EP提高38.2%、40.0%、40.4%和5.9%。

玄武岩纤维(BF)在整个生产过程中无废料、无废气、无污染，是一种绿色的无机纤维。BF具有独特的优异性能，如力学性能优异、耐碱性能好、耐高温和不燃等^[13-15]。以BF为增强材料制成的FRP复合材料被广泛应用于交通、化工、电力、建筑、国防、航天、海洋工程等领域^[16-18]。郑晓翼等^[3]以BF增强聚醚砜树脂(PES)，并研究复合材料的热学和力学性能。结果表明：BF掺量为50%时，与纯PES相比，复合材料的初始分解温度提高15 ℃，弯曲强度达到546 MPa。景芳达等^[19]制备分别加入BF和GF的聚丙烯(PP)/纤维复合材料。结果表明：加入相同掺量的纤维，相比PP/GF复合材料，PP/BF复合材料拉伸强度、弯曲强度和弯曲弹性模量分别提高9.8%、11.0%和5.8%。

本实验用BF增强EP，制备FRP复合材料，研究其力学性能和耐热性能，为制备综合性能优异的FRP复合材料提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

玄武岩纤维(BF)，长度3~5 mm，平均直径6 μm，泰安智容工程材料有限公司；环氧树脂，E51，江苏三木化工股份有限公司；固化剂，聚酰胺651，江苏新素新材料有限公司；硅烷偶联剂，KH550，南京品有道化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6360LV，日本电子公司；超声波分散仪，HN-500，上海达洛科学仪器有限公司；拉力试验机，HZ-1003B，东莞市力显仪器科技有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJUY-22，承德市世鹏检测设备有限公司；热重分析仪(TG)，XJ2329，扬州晞君电气有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 BF的表面改性

BF是一种表面呈化学惰性且光滑的无机物，与EP结构上存在一定差异，因此两者相容性不太好。为了提高两者之间的浸润性和黏结性，应该对BF表面进行改性^[20-21]。称取30 g KH550，加入500 g无水乙醇，搅拌均匀，得到偶联剂改性溶液。将BF放入改性溶液中，并在超声波分散仪中分散30 min，改性温度为40 ℃。取出BF，放入80 ℃干燥箱中干燥8 h，得到KH550改性BF。

1.3.2 FRP复合材料的制备

表1为FRP配方。将改性BF加入EP中，并用玻璃棒搅拌均匀。然后加入固化剂，搅拌均匀。再将搅拌好的混合料浇注到铺有薄膜的模具中，室温固化24 h后脱模，得到FRP复合材料，按照测试试样要求制样。

1.4 性能测试与表征

SEM测试：对BF表面喷金，观察其形貌。

力学性能测试：拉伸强度参考GB/T 1447—2005进行测试，样品尺寸为250 mm×25 mm×2 mm，加载速率为5 mm/min；弯曲强度参考GB/T 1449—2005进行测试，样品尺寸为40 mm×15 mm×2 mm，加载速率为1 mm/min；冲击强度参考GB/T 1843—2008进行测试，A型缺口，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

耐热性能测试：用热重分析仪检测FRP复合材料的热稳定性，N₂气氛，升温速率10 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 BF改性前后的微观形貌

图1为BF改性前后的微观形貌SEM照片。

从图1可以看出，未改性的BF表面光滑，无明显的凸起物；改性后的BF表面粗糙，凸起物较多且分散在BF表面各个位置，这是KH550形成的硅烷膜。BF表面粗糙，凸起较多，有助于提高BF与EP基体之间的界面黏结力；并且改性后的BF表面形成的硅烷膜，提高了BF的表面活性，有助于提高BF与EP的相容性。BF改性前后的微观形貌变化，说明KH550成功接枝到BF表面^[9,20]。

2.2 FRP的力学性能

图2为FRP的弯曲强度和拉伸强度。图3为FRP的冲击强度。

从图2可以看出，与纯EP相比，掺入1份改性BF的FRP拉伸强度和弯曲强度分别提高19.0%和31.8%；掺入2份改性BF的FRP拉伸强度和弯曲强度分别提高43.0%和52.9%；掺入3份改性BF的FRP复合材料拉伸强度和弯曲强度分别提高56.6%和67.9%；掺入4份改性BF的FRP拉伸强度和弯曲强度开始下降，尤其是弯曲强度下降明显，但是拉伸强度和弯曲强度仍然比纯EP分别提高55.9%和56.3%。这说明随着改性BF添加量的增加，FRP的拉伸强度和弯曲强度均先增大后减小，改性BF添加量为3份时，拉伸强度和弯曲强度增长至最大，继续增加改性BF，FRP的拉伸强度略微降低而弯曲强度降低较多，但拉伸强度和弯曲强度仍高于纯EP。这是因为EP自身拉伸强度和弯曲强度远远低于改性BF，并且EP比较脆，随着改性BF的加入，EP分子中高活性的环氧基团与改性BF表面的硅烷基团发生交联，改性BF与EP界面可以紧密黏结。在FRP受到外力时，荷载被传递到改性BF上，力学性能优异的BF承担了大部分的外部荷载，因此FRP的拉伸强度和弯曲强度随着改性BF的加入开始增大；并且改性BF贯穿整个脆性的EP基体，可承受较大的载荷，导致FRP的弯曲强度增长更显著^[21-23]。然而，随着改性BF添加量的增大，FRP在成型过程中的黏度会增加，复合材料的内部气孔等缺陷也会增多，并且过多的BF还会聚集，导致EP基体无法完全包裹BF，这也会造成很多界面薄弱区域或BF松散区，导致在外力作用下，改性BF不能完全发挥力的传递和承担荷载，最终改性BF容易被拔出，尤其是在受到弯曲荷载时，改性BF松散区能承担的荷载更低，因此掺入过多的改性BF后，FRP的拉伸强度和弯曲强度还会降低，且弯曲强度降低更显著。但是，改性BF的力学性能毕竟远远优于EP，因此改性BF的掺入总体上对FRP的拉伸强度和弯曲强度有利^[23-25]。

从图3可以看出，纯EP的抗冲击强度仅为10.1 kJ/m²，说明EP较脆；掺入1~4份改性BF的FRP的冲击强度分别为14.9、16.1、18.8、19.0 kJ/m²，与纯EP相比，分别提高47.5%、59.4%、86.1%和88.1%，这说明随着改性BF添加量的增加，FRP的冲击强度先显著增大后缓慢增大，改性BF添加量不超过3份时，冲击强度增长迅速，继续增加改性BF的添加量，FRP的冲击强度增长幅度不大。这是因为EP自身较脆，其冲击强度远低于改性BF，随着改性BF的加入，EP分子中高活性的环氧基团与改性BF表面的硅烷基团发生交联，改性BF与EP界面可以紧密黏结，在FRP受到外力时，荷载被传递到改性BF上，改性BF承担了部分的冲击荷载，因此FRP复合材料的冲击强度随着BF的加入而增大^[22]。随着改性BF添加量的增大，FRP的内部气孔等缺陷也会增多，并且过多的改性BF还会聚集，导致EP基体无法完全包裹改性BF，这也会造成很多界面薄弱区域或改性BF松散区，导致在BF不能完全发挥力的传递和承担冲击荷载，然而外力冲击的瞬间大部分冲击力能够被改性BF承担，因此掺入过多的改性BF后，FRP的冲击强度仍然有所增加，只是增长变缓。

2.3 FRP的耐热性能

图4为FRP的TG曲线。

从图4可以看出，加入改性BF后，复合材料的热降解温度大幅提高，热重损失大幅降低。纯EP的开始降解温度约为300 ℃，至458 ℃时热降解基本结束，最终质量损失率为92.2%。掺入1~4份改性BF后，复合材料的TG曲线显著向右和向上移动，说明热稳定性大幅提高。尤其是改性BF添加量低于3份时，FRP热稳定性提高较快，掺入4份BF时，热稳定性只比掺入3份改性BF时略高。掺入3份BF，复合材料的开始降解温度为366 ℃，提高了66 ℃，至529 ℃时热降解基本结束，最终质量损失率为83.4%，质量损失降低了8.8%；掺入4份改性BF，FRP的开始降解温度为367 ℃，至532 ℃时热降解基本结束，最终质量损失率为84.1%。这是因为改性BF热稳定性极高，其工作温度可以达到700 ℃，改性BF分散到EP中，可以抑制EP的降解，因此提高了FRP的热稳定性。而过量的改性BF会聚集，导致EP基体无法完全包裹改性BF，也会增加FRP的内部气孔等缺陷，因此过量的改性BF未充分发挥提高复合材料耐热性能的作用，导致热稳定性上升幅度不显著^[25-26]。

3 结论

未改性的BF表面光滑，无明显的凸起物；改性后的BF表面粗糙，凸起物较多且分散在BF表面各个位置。

随着改性BF添加量的增加，FRP的拉伸强度和弯曲强度均先增大后减小，冲击强度先显著增大后缓慢增大。改性BF添加量为3份时，FRP的拉伸强度和弯曲强度增长至最大，继续增加改性BF，FRP的拉伸强度略微降低而弯曲强度降低较多，但拉伸强度和弯曲强度仍高于纯EP，说明改性BF添加量为3份时FRP的综合力学性能最优，此时拉伸强度、弯曲强度和冲击强度，比纯EP分别提高56.6%、67.9%和86.1%。

随着BF添加量的增加，FRP的热稳定性不断提高，改性BF添加量低于3份时，FRP的热稳定性显著提高，继续增加改性BF的添加量，FRP的热稳定性缓慢提高。改性BF添加量为3%时，FRP的耐热性能增强，热分解的初始降解温度提高66 ℃，质量损失率降低8.8%。

参考文献

[1] 吴智深,汪昕,史健喆.玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构[J].工程力学,2020,37(5):1-14.

[2] 贾明皓,肖学良,冯古雨,玄武岩纤维增强复合材料及其应用最新研究进展[J].化工新型材料,2019,47(11):6-8, 12.

[3] 郑晓翼,胡林清,田雨涵,玄武岩纤维增强聚醚砜复合材料制备与性能[J].塑料工业,2018,46(5):58-62.

[4] 尹京,葛凯,李林香,玄武岩纤维在铁路桥梁RPC盖板中的应用研究[J].铁道建筑,2019,59(12):30-33.

[5] 韩民.玄武岩纤维在沥青路面中的应用研究[J].河南科学,2018,36(9):1409-1413.

[6] 刘一帆,王童,陈轶嵩,车用玄武岩纤维增强复合材料现状及未来发展趋势[J].汽车文摘,2021(10):26-30.

[7] 赵明珠,张磊,张东英,缠绕角对碳纤维增强复合材料输电杆塔力学性能的影响[J].中国塑料,2019,33(5):67-72.

[8] 苟万,周绿山,邓远方,玄武岩纤维在建筑材料领域的应用研究进展[J].当代化工,2019,48(5):1083-1086.

[9] 景芳达,韩松,葛晶,改性玄武岩纤维/聚氨酯阻尼材料的制备及性能[J].精细化工,2022,39(7):1369-1375, 1456.

[10] 迟兴江.新型绝缘输电杆塔的研究[D].北京:华北电力大学,2013.

[11] 马方.气压差变化及环氧树脂层对混凝土气体渗透性的影响[J].施工技术:中英文,2024,53(8):126-130.

[12] 张谦,王涵,毕治功.环氧树脂的应用及市场分析[J].弹性体,2021,31(2):76-80.

[13] 吴智深,吴刚,汪昕,玄武岩纤维在土建交通基础设施领域研究与应用若干新进展[C]//中国土木工程学会FRP及工程应用专业委员会.工业建筑(2009·增刊)——第六届全国FRP学术交流会论文集,郑州,2009.

[14] 沈琪斌,王波,王海滨.玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的绝缘性能和力学性能研究[J].塑料科技,2023,51(7):18-22.

[15] 李根群,赵冰洁,代婷婷,玄武岩纤维表面改性及分散性研究[J].辽宁化工,2022,51(8):1040-1044.

[16] 王崇杰,杨明君,周松,玄武岩纤维/聚丙烯复合材料的力学性能与摩擦磨损特性[J].塑料工业,2022,50(9):160-167.

[17] 于金生.玄武岩纤维在铁路轨道建设工程中的应用探析[J].工程机械与维修,2022(2):118-119.

[18] 谷永强.玄武岩纤维增强聚丙烯材料汽车内饰件性能研究[D].长沙:湖南大学,2018.

[19] 景芳达,韩松,秦野,玄武岩纤维增强聚合物复合材料及其机械性能的研究进展[J].当代化工,2023,52(1):219-222.

[20] 骆宣耀,韦粤海,马雷雷,硅烷偶联剂改性对玄武岩纤维增强乙烯基酯树脂复合材料力学性能的影响[J].现代纺织技术,2023,31(4):103-110.

[21] IORIO M, SANTARELLI M L, GONZÁLEZ-GAITANO G, et al. Surface modification and characterization of basalt fibers as potential reinforcement of concretes[J]. Applied Surface Science, 2018, 427 (Part A): 1248-1256.

[22] 洪晓东,杨东旭,邓恩燕.改性玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能[J].工程塑料应用,2013,41(2):20-24.

[23] 李俊涛.玄武岩纤维增强树脂基复合材料制备与力学性能研究[J].南方农机,2020,51(15):31-32, 52.

[24] 杨智明,刘金旭,冯新娅,玄武岩纤维布增强不同树脂基体复合材料的制备与力学性能[J].北京理工大学学报,2018,38(6):655-660.

[25] 税涛,武元鹏,李珍,玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的界面强化与力学性能研究[J].塑料工业,2023,51(5):95-101.

[26] 朱钦钦.玄武岩纤维增强复合材料的制备及性能研究[D].芜湖:安徽工程大学,2013.

[27] 谢金,杨伟军.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[J].功能材料,2021,52(5):5176-5180.