分子篩對玻璃纖維/環氧樹脂復合材料濕熱前后力學性能的影響

尹洋洋，周向華，趙培仲

（1.中國人民解放軍92281部隊，山東 諸城 262200；2.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

分子篩（TS）是一種人工合成的天然沸石，具有耐高溫、抗腐蝕且機械強度較高等優點，是一種綠色環保的材料[1]。TS因具有分子大小的孔徑而被廣泛用作水吸附劑、離子交換劑和催化劑等[2]。通常樹脂基復合材料層壓板是由環氧樹脂（EP）作為基體材料，玻璃纖維（GF）為增強體復合而成的，對濕熱環境比較敏感。在濕熱環境中，水分子滲透到復合材料中，引起EP基體溶脹[3～5]，而纖維增強相則吸水很少，這就容易造成纖維和基體之間的界面發生破壞，進而導致力學性能下降[6，7]。如果EP基體中的水分能夠被TS轉移，減少溶脹，則將提高復合材料的耐濕熱性能。

為此，本研究利用TS對水的強吸附作用，將TS加入到EP中制作復合材料層壓板，并進行濕熱處理、拉伸試驗，研究了TS是否能減少濕熱環境對材料的影響。

1 實驗部分

1.1 原材料

TS-1型分子篩（TS，分子孔徑為0.56～0.58 nm），青島科技大學制備；SW100A-90a型高強度玻璃纖維布（GF），南京玻璃鋼研究設計院；6101型環氧樹脂（E-44），鎮江丹寶樹脂有限公司；593型固化劑，岳陽巴陵石化。

1.2 儀器與設備

WDW-1型電子萬能拉力機，濟南泰思特儀器有限公司；HH-S114型數顯恒溫水浴試驗箱，常州國立試驗設備研究所；101-0A型電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；78-1型磁力加熱攪拌器，溫州標諾儀器有限公司。

1.3 試樣制備

將固化劑593與E-44按1∶4的質量比制成樹脂基體。按照E-44質量的0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%添加TS，磁力加熱攪拌均勻。采用濕鋪法逐層鋪設得到TS/GF/E-44復合材料層壓板試樣。試樣在100 ℃烘箱中固化2 h。

1.4 性能測試

（1）拉伸性能：按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》標準，采用電子萬能拉力機進行測試（將制備的復合材料層壓板試樣裁剪成啞鈴型試樣，如圖1所示。將其放入水浴試驗箱內保持99 ℃水煮浸泡48 h。在室溫下，分別對未濕熱處理試樣、濕熱后濕態和干態試樣進行測試，拉伸速度為5 mm/min。每5個試樣為1組，取平均值。烘干試樣時，試樣脫水量的計算采用烘干前的試樣質量減去某一時刻的試樣質量計算。當脫水量不再變化時，認為試樣已經烘干）。

圖1 試樣尺寸圖Fig.1 Diagram of sample specimen

2 結果與分析

2.1 力學性能分析

未濕熱處理測試組折線圖如圖2所示。由圖2可知：當TS加入到復合材料層壓板中時，不同添加量的TS對其拉伸強度都有提高作用，其中0.3%添加量的實驗組提升效果相對最明顯。不添加時的拉伸強度為228 MPa；添加量為0.3%時的拉伸強度為302 MPa，提高了32%。當添加量超過0.3%后，拉伸強度反而下降，說明0.3%的添加量較適宜。

圖2 未濕熱處理測試組折線圖Fig.2 Effect of molecular sieve amount on tensile strength before hygrothermal treatment

TS的添加量對復合材料層壓板的樹脂基體也起到了增強作用，因此，復合材料層壓板的拉伸強度也隨之提高。但是，當添加量超過0.3%時，由于其不易分散，非常容易發生團聚，因而成為復合材料層壓板中的薄弱環節而易發生斷裂。

濕熱后未進行烘干、取出后自然晾2 d的濕態測試實驗數據如圖3所示。由圖3可知：TS添加量為0.3%時仍為相對最高的拉伸強度，未添加TS的拉伸強度為165 MPa，添加0.3%TS的為181 MPa，比不含TS的復合材料層壓板強度高9.7%，提升效果減小。同時，基本上每個添加量的抗拉性能都有明顯的降低。濕熱處理后，復合材料層壓板有沿GF剝離發白的現象，這樣基體與纖維之間的界面力就會下降，從而造成不利影響。濕熱處理過程中，基體吸水溶脹，而纖維吸水非常少，基體與纖維之間由于膨脹不匹配容易誘發出現細小裂紋，導致粘接弱化，進而導致了復合材料層壓板性能降低。同樣的，TS和樹脂之間也會存在類似的現象，TS對樹脂基體的增強作用降低，復合材料層壓板的整體性能下降。

圖3 濕熱后濕態測試組折線圖Fig.3 Effect of molecular sieve amount on tensile strength at wet state after hygrothermal treatment

根據未濕熱處理測試組實驗，添加0.3%TS之前復合材料層壓板的拉伸力學性能上升，在添加0.3%時達到較好效果，0.3%之后呈下降趨勢，且到0.5%時基本與不添加的相同，可以初步斷定TS不是添加的越多越好，與其在試樣中均勻的效果有明顯關系。

將復合材料層壓板試樣放置60 ℃烘箱中完全烘干至質量不變時，添加了TS的復合材料層壓板試樣都比不含TS的性能要好，且呈現一定規律。由圖4可知：0.3%添加量仍為性能提升相對最好的實驗組，拉伸強度為218 MPa。

圖4 濕熱后干態測試組折線圖Fig.4 Effect of molecular sieve amount on the tensile strength at dry state after hygrothermal treatment

結合宏觀檢測結果，基本上可以認為，復合材料層壓板的界面力都受到了影響，但TS自身吸水的特性有助于改善基體的性能，提高了復合材料層壓板的耐濕熱性。將3組結果統一整理，結果如圖5所示。

由圖5可知：隨著TS添加量的增加，復合材料層壓板的拉伸強度逐漸增強，當TS增加到0.3%時為相對最佳用量。同時濕熱處理后，TS添加量為0.3%的復合材料層壓板試樣拉伸強度恢復得相對最多。

圖5 處理方式對比圖Fig.5 Comparison between different treatments

2.2 吸水性能分析

本次實驗完全烘干實驗組在濕熱處理后，進行自然晾干48 h處理，再在烘箱內烘干，記錄試樣質量，以研究復合材料層壓板脫水后的性能。不同復合材料試樣脫水率如表1所示。由表1可知：室溫自然晾干后，添加了TS復合材料的層壓板都比不含TS的脫水量要少，但完全烘干后每種添加量的總脫水占比差不多都為29‰左右，這說明加入TS后，其能夠在材料中因發揮鎖水作用而減少對材料的影響，而且不會增加材料總吸水量。說明0.3%添加量為脫水速率相對最慢的組，其鎖水性能相對最好，能更有效地將水分從復合材料層壓板的樹脂基體、GF增強相與樹脂基體之間的界面之間將水分吸收出來，使水分更多地進入到TS中。之后隨著添加量增加，脫水速率又有上升，這與TS添加量過高導致的分散不均勻有關，這樣其鎖水性能又會下降?？傊?， 幾種狀態下的測試都是0.3%添加量的力學性能相對最好，這是因為0.3%添加量分散性較好，同時也能將材料中的水分降低得最多。

表1 復合材料試樣脫水量占比Tab.1 Dehydration ratio of samples

在測試過程中，分別選取了0、0.3%和0.5%試樣，每烘干1 h測量一次數據，計算總脫水質量，如表2所示。由表2可知：0添加量最先脫水完畢，0.5%其次，0.3%最慢，這更能說明材料中一定量水是在TS中。由表2也可以分析得出，進行60 ℃烘干時，TS中的水也會被大量釋放出，其中0.3%添加比的試樣脫水速率相對最快，0.5%其次，0最慢，這也證明了當材料添加了質量比例為0.3%的TS時，復合材料中TS的鎖水能力能夠發揮得相對最好，進而使得材料受水的影響相對最小。

表2 加熱脫水質量表Tab.2 Dehydration amount of sample by drying

3 結論

（1）通過添加一定比例的TS，可以增強復合材料的拉伸強度和彈性模量。當添加比超過0.3%時，提升的效果會下降。0.3%比例的TS添加比為拉伸強度提升相對最高的比例。濕熱處理后，0.3%的試樣拉伸強度仍為相對最高值，同時烘干后其性能恢復得也相對最好。這說明TS添加0.3%為相對最佳比例。

（2）無論是否添加TS，或是添加的添加量不同，當完全烘干后復合材料試樣總脫水量是一樣的，但室溫晾干時添加了TS的脫水速率要慢許多。同時TS為0.3%的添加比能夠發揮相對最好的鎖水能力，如果進行加熱處理，也可以將TS中的水揮發出來。