納米SiO2改性環氧樹脂碳纖維體育材料及性能試驗

高會娜

摘 要：針對傳統體育器材環氧樹脂碳纖維復合材料脆性大、耐沖擊性能差的問題，提出用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VATRM）制備用于體育器材的納米二氧化硅改性環氧樹脂碳纖維復合材料，借助電子萬能試驗機和落錘式沖擊實驗機研究了該復合材料的橫向拉伸性能和抗沖擊性能。結果表明：當納米二氧化硅質量分數為1%時，納米二氧化硅/環氧樹脂復合材料的橫向拉伸性能最佳，斷裂伸長率為0.5%;橫向拉伸強度為41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，比純環氧樹脂碳纖維復合材料的橫向拉伸強度、拉伸模量分別提高124.2%和12.5%。經納米二氧化硅改性的環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊力為2 216 N，比純環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊力提高了37.2%左右。

關鍵詞：環氧樹脂碳纖維;體育材料;納米SiO2改性;拉伸性能;沖擊性能

中圖分類號：TQ?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0032-04

Nano SiO2 modified epoxy resin carbon fiber sports material and its performance test

GAO Huina

（Shaanxi Institute of International Trade & Commerce， Xianyang 712046， Shaanxi China）

Abstract：Aiming at the problems of high brittleness and poor impact resistance of epoxy resin carbon fiber composites for traditional sports equipment， a nano silica modified epoxy resin carbon fiber composites for sports equipment was prepared by vacuum assisted resin transfer molding （VATRM）. The transverse tensile properties and impact resistance of the composite were studied by means of electronic universal testing machine and drop hammer impact testing machine. The results show that the transverse tensile properties of the composites are the best when the mass fraction of nano silica is 1%. At this time， the transverse tensile strength of the composite is 41.7 MPa; The tensile modulus is 79.9 GPa; elongation at break is 0.5%; the tensile strength and modulus are 124.2% and 12.5% higher than those of pure epoxy carbon fiber composites， respectively. The maximum impact force of epoxy resin carbon fiber composite modified by nano silica is 2 216 N， which is about 37.2% higher than that of pure epoxy resin carbon fiber composite.

Key words：epoxy resin base; sports materials; nano SiO2 modification; tensile properties; impact performance

環氧樹脂碳纖維復合材料因為其良好的抗疲勞和抗腐蝕性能，常用于體育器材的制作。但隨著研究的深入，人們發現環氧樹脂碳纖維復合材料固化后，橫向拉伸性能差，抗沖擊能力弱，使得其運用范圍受到了極大的限制。為讓環氧樹脂碳纖維在體育器材方面得到更廣泛運用，有學者采用熱壓成型技術制備了網球拍用的碳纖維三向織物/環氧樹脂復合材料，并通過試驗證明了該方法制備的三向織物/環氧樹脂復合材料各方面性能皆表現良好;采用碳納米管對環氧樹脂體系以及碳纖維進行改性處理，提升環氧樹脂碳纖維復合材料的整體性能[2]。以上學者的研究成果表明，改變復合材料的成型方法和對復合材料進行改性都是提升碳纖維復合材料的有效方式，但具體成型方法和改性材料還存在很大的研究空間。基于此，本文嘗試采用目前最新真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VATRM），以納米二氧化硅作為改性材料制備體育用二氧化硅改性環氧樹脂碳纖維復合材料，并對其性能進行研究，希望為提升環氧樹脂碳纖維復合材料性能提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗材料：SiO2（廣州南硅化工有限公司，納米級）、環氧樹脂（青島百辰新材料科技有限公司，E44）、碳纖維織布（河北富瑞復合材料有限公司，纖維直徑5～20 μm）

試驗設備：電子天平（河北德科機械科技有限公司，H0503）、真空干燥箱（鞏義市宏華儀器設備工貿有限公司，DZF-6050）、高速剪切儀（滄州晟鎧儀器設備有限公司，GS-1）、超聲波清洗機（常州國華電器有限公司，CS-1）、電子萬能試驗機（協強儀器制造（上海）有限公司，CTM2050）、落錘式沖擊實驗機（江蘇維科特儀器儀表有限公司，WKT-LC200）。

1.2 試驗方法

1.2.1 納米二氧化硅環氧樹脂分散物制備

（1）用H0503型電子天平稱取300 g環氧樹脂，然后置于DZF-6050型真空干燥箱內，在45 ℃條件下加熱5 min;

（2）按照二氧化硅環氧樹脂質量分數分別為0.1%、0.3%、0.5%稱取一定量納米二氧化硅;

（3）將預熱后環氧樹脂取出，然后調整GS-1型高速剪切儀高度，將轉頭放入環氧樹脂正中間，放置時要注意轉頭緊貼杯壁;

（4）打開高速剪切儀，調整其轉速至104r/min。將納米二氧化硅平均分成3份，每隔10 min在環氧樹脂中加入一份納米二氧化硅，直至納米二氧化硅加完。在攪拌過程中，需要不斷改變轉頭的位置，避免出現分布不均的現象;

（5）提前將CS-1型超聲波清洗機預熱至60 ℃，然后將攪拌均勻的環氧樹脂混合物放入超聲波清洗機中;打開超聲波清洗機對混合物進行超聲震蕩。超聲溫度、頻率和時間分別為60 ℃、40 kHz和60 min。

1.2.2 VARTM 成型工藝制備體育用的改性環氧樹脂基碳纖維復合材料

（1）提前在光滑剛性玻璃模具上涂抹3次脫模蠟，每次涂抹都需要等到脫模蠟完全干透方可繼續涂抹。將脫模布置于提前處理過的玻璃模具上，放置時要注意鋪放整齊。然后將6層碳纖維布統一方向鋪放在脫模布上，最后根據要求放置導流管和螺旋管，鋪設工藝如圖1所示;

（2）將所有材料鋪設好后，在其四周隔一定距離粘貼密封膠帶，然后將真空薄膜袋粘貼在密封膠帶上。粘貼真空薄膜袋時要注意薄膜袋與密封膠帶間不要留有空隙，避免試驗失敗;

（3）用止流鉗將樹脂兩側真空管夾緊，打開真空泵開關，待真空表指針指向-0.1 MPa，確定是否漏氣。若密封狀態良好，將納米無機粒子環氧樹脂分散劑與固化劑按照5∶1比例混合均勻后，導入玻璃模具中，然后將兩端樹脂夾緊;

（4）將玻璃模具置于室溫條件下固化，一段時間后，取出完全固化的復合材料。觀察復合材料表面是否完整，有無浸潤不完全、氣泡和干斑現象出現。如有上述情況出現需舍棄。

1.3 性能測定

1.3.1 體育用SiO2改性環氧樹脂復合材料的橫向拉伸性能測定

（1）參照ASTM D3039 標準將復合材料切割成尺寸為25 mm×125 mm，厚度為2 mm的拉伸試驗樣品，每組5個，共3組;

（2）將引伸計用皮筋固定在試樣上，然后調節CTM2050型電子萬能試驗機上下夾頭，使之保持一定距離。之后分別將試樣的上下兩端置于萬能試驗機上下卡具中部。最后調整上下夾頭距離，確保試樣保持垂直對中性同時不受卡具壓力;

（3）打開電子萬能試驗機，以2 mm/min的加載速度對試件施加荷載。

試件拉伸強度、拉伸模量和斷裂伸長率表達式分別為：

σt=Pb-h

Et=ΔσtΔεt

εt=ε15×50

式中：σt表示復合材料拉伸強度;Et表示復合材料拉伸模量;ε1表示引伸計應變量;Δσt表示試件承受的應力增量;Δεt表示拉伸試件的應變;P表示試件承受的荷載;b表示試件寬度;h表示試件厚度。

1.3.2 體育用SiO2改性環氧樹脂復合材料的沖擊性能測定

（1）參照ASTM 7136 標準將復合材料切割成尺寸為100 mm×150 mm，厚度為2 mm的沖擊試驗樣品，每組5個，共3組;

（2）提前對試件表面中心位置進行標記，將試件置于WKT-LC200型落錘式沖擊實驗機夾具適當位置，并將試件鎖死;

（3）選擇直徑為16 mm的球形沖頭進行測試。將沖頭對準試件中心落下，觀察試件變化，并繪制沖擊載荷-時間曲線。

2 結果與討論

2.1 體育用納米SiO2改性環氧樹脂復合材料橫向拉伸性能

表1為不同質量分數納米二氧化硅/環氧樹脂復合材料橫向拉伸性能測定結果。

由表1可知，隨納米二氧化硅質量分數的增加，復合材料拉伸性能表現出先增加后減小的趨勢。當納米二氧化硅質量分數為1%時，復合材料性能最佳。此時復合材料橫向拉伸強度為41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，斷裂伸長率為0.5%;拉伸強度和模量分別比純環氧樹脂碳纖維復合材料提高了124.2%和12.5%。納米二氧化硅改性環氧樹脂碳纖維復合材料拉伸性能出現先增加后減小變化的原因是納米二氧化硅粒子粒徑小，比表面積大，能夠與高分子材料的很好的相容;與環氧樹脂結合的時候，能夠產生更多的Si—O化學鍵，在拉伸過程中對微裂縫的長大延伸起到延緩和鈍化作用，使得復合材料拉伸性能有所提升。隨著納米二氧化硅質量分數的增加，在體系內易出現聚集成團的現象，使得納米二氧化硅無法在環氧樹脂碳纖維復合材料中分散均勻。復合材料受外部荷載時，微裂紋瞬間成為宏觀斷裂，導致其性能下降。同時，納米二氧化硅質量分數的增加會導致混合溶液黏度變大，不利于VARTM 成型工藝對復合材料改性。

2.2 體育用納米SiO2改性環氧樹脂復合材料沖擊性能分析

圖2、圖3分別表示在20 J沖擊能量下，質量分數為1%的納米二氧化硅改性環氧樹脂基碳纖維復合材料的沖擊載荷、能量與時間的關系曲線。

由圖2可知，經納米二氧化硅改性，復合材料沖擊荷載隨時間的變化規律表現為類正弦變化。在沖擊初始過程中，沖擊載荷隨時間的增加而增加，但沒經過改性的環氧樹脂基復合材料載荷-時間曲線變化增長速度要大于經納米二氧化硅改性的環氧樹脂碳纖維復合材料。這是因為環氧樹脂碳纖維經納米二氧化硅改性后，碳碳鍵總鍵能比硅氧鍵鍵能高，使得其耐沖擊能力增加。試驗結果表明，經納米二氧化硅改性的環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊力為2 216 N，比純環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊力1 615 N提高了37.2%左右。這是因為在改性過程中，納米二氧化硅粒子提高了環氧樹脂的交聯密度。在承受沖擊載荷時，二氧化硅能夠承擔傳遞部分載荷，再加上納米二氧化硅粒子比表面積大，表面羥基含量高，化學性能活潑，與環氧樹脂接觸機會大，使得其沖擊性能大大增加。在體育器材制備方面得到更為廣泛的應用。

由圖3可知，兩種復合材料的能量-試件曲線迅速增加至20 J能量后，慢慢的趨于平衡。納米二氧化硅改性復合材料曲線增長速度相對較快，這就說明沖擊作用時間較少，能夠提前達到最大沖擊力。

3 結語

本文利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制備二氧化硅改性環氧樹脂基碳纖維復合材料。通過對其橫向性能和拉伸性能的研究，得到的具體結論如下：

（1）橫向拉伸試驗結果表明，隨納米二氧化硅質量分數的增加，復合材料橫向拉伸性能表現出先增加后減小的趨勢。當納米二氧化硅質量分數為1%時，復合材料橫向拉伸性能最佳。此時復合材料橫向拉伸強度為41.7 MPa，拉伸模量為79.9 GPa，斷裂伸長率為0.5%;

（2）復合材料沖擊試驗結果表明，納米二氧化硅能一定程度提高環氧樹脂碳纖維復合材料。純環氧樹脂碳纖維復合材料最大沖擊載荷為1 615 N，經納米二氧化硅改性后，復合材料最大沖擊載荷提升至2 216 N。能量-時間曲線結果表明，經改性后的復合材料增長至20 J能量的時間較短，能夠提前達到最大沖擊力。

綜上所述，本文制備的體育用納米SiO2改性環氧樹脂復合材料具有良好的力學性能和抗沖擊性能，能夠在短時間內達到最大沖擊力，可在體育器材的制備方面得到廣泛運用。

【參考文獻】

[1] 沙迪，禹旭敏，趙將，等.碳纖維三向織物/環氧樹脂復合材料的制備與力學性能[J].高等學校化學學報，2020，41（4）：838-845.

[2] 鄭志才，肖亞超，孟祥武，等.碳納米管改性環氧樹脂/碳纖維復合材料的界面性能[J].工程塑料應用，2020，48（5）：118-122.

[3] 孫士勇，韓奇倡，楊睿.改性碳纖維的分散性對環氧樹脂強化效果的影響[J].粘接，2020，42（6）：1-5.

[4] 王戈，顧少華，張文福，等.植物纖維增強環氧樹脂復合材料界面改性研究進展[J].中南林業科技大學學報，2020，40（7）：144-152.

[5] 鄭凌祺，李剛，楊小平，等.環糊精微球改性環氧樹脂的制備及其碳纖維復合材料的X射線穿透性研究[J].材料工程，2020，48（11）：170-176.

[6] 任志東，郝思嘉，邢悅，等.氧化石墨烯改性環氧樹脂及其復合材料的性能[J].航空材料學報，2019，39（2）：25-32.

[7] 車圓圓，孫章龍，孫應，等.碳纖維/環氧樹脂復合材料摩擦性能研究[J].武漢理工大學學報，2018，40（1）：27-34.

[8] 李海龍，姚姍姍，金范龍.環氧樹脂/碳纖維導熱復合材料研究進展[J].吉林化工學院學報，2020，37（11）：28-32.

[9] 張亞萍，石磊，郭小鳳，等.界面結合方式對氧化石墨烯-碳纖維/環氧樹脂復合材料性能的影響[J].上海大學學報（自然科學版），2020，26（6）：927-936.

[10] 王志，吳鵬，曲芳，等.層間增韌環氧樹脂碳纖維單向帶的熱解特性及動力學研究[J].化工新型材料，2019，47（10）：130-133.