陶文竹 申明霞 曾少華 鄭益飛 郝凌云 韓彥馨

摘 要：采用三種不同種類的硅烷改性分散碳納米管（MWCNTs），通過超聲輔助浸漬法制備了MWCNTs/玻璃纖維預(yù)增強體，通過真空灌注法制備了含MWCNTs的玻璃纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料（GFRP），研究了硅烷組成和結(jié)構(gòu)對MWCNTs的表面及其對GFRP力學(xué)性能、層間粘合性能、動態(tài)粘彈性以及斷裂形貌等的影響。結(jié)果表明，氨基、乙烯基和長鏈硅烷均可以改善MWCNTs的分散性，其中含氨基硅烷改性MWCNTs的GFRP（MGFE-a）呈韌性斷裂，性能提升最為明顯，其拉伸強度和模量分別提升了19.2%和19.7%，彎曲強度和模量分別提升了18.9%和19.3%;層間剪切強度和斷裂功分別提升了15.2%和48.2%;MWCNTs表面組成與樹脂之間的相互作用對玻璃化轉(zhuǎn)變和內(nèi)耗的影響有一定的溫度依賴性，MGFE-a的儲能模量值最大，提高了13.0%，玻璃化溫度提高了約5.2℃，損耗因子降低了15.6%。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;多壁碳納米管;玻璃纖維;環(huán)氧樹脂;硅烷

中圖分類號：TQ171.77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0001-06

Abstract：Three kinds of silane were used to modify and disperse carbon nanotubes （MWCNTs）， MWCNTs/glass fiber prereinforcers body were prepared by ultrasound-assisted impregnation method， GFRP composites with MWCNTs were prepared by vacuum infusion method. The effects of silane composition and structure on the surface of MWCNTs and on the mechanical properties of GFRP， interlaminar shear properties， dynamic viscoelasticity and fracture morphology were studied. The results showed that amino， vinyl and long-chain silanes can all improve the dispersion stability of MWCNTs， among them， GFRP （MGFE-a） containing amino silane-modified MWCNTs exhibits ductile fracture and the performance improvement was the most obvious， the tensile strength and modulus of the composites increased by 19.2% and 19.7% respectively， the bending strength and modulus increased by 18.9% and 19.3% respectively， and the interlaminar shear strength and the work of fracture increased by 15.2% and 48.2% respectively. The interaction between the surface composition of MWCNTs and the resin had a certain temperature dependence on the vitrification transition and internal consumption. The energy storage modulus value of MGFE-a was the highest， with an increase of 13.0%， the vitrification temperature increased by about 5.2℃， and the loss factor decreased by 15.6%.

Key words：composite materials; multi-walled carbon nanotubes; glass fiber; epoxy resin; silane

0 引言

玻璃纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料（GFRP）具有比強度比模量高、耐高溫、耐腐蝕性好且性價比高等特點，可用于建筑、風(fēng)電、化工、航空航天等領(lǐng)域，近年來在智能、通訊和商業(yè)領(lǐng)域也呈現(xiàn)出潛在應(yīng)用前景[1-3]。但是GFRP的斷裂呈現(xiàn)脆性特征，且層間粘合薄弱，使其使用壽命和應(yīng)用場合受到一定的限制。碳納米管（MWCNTs）具有高比強比模和高長徑比，且性價比高，是GFRP的一種理想增強填料[4]。Fan等[5]通過雙真空輔助注射成型工藝用含0.5wt%酸氧化MWCNTs的環(huán)氧樹脂制備GFRP，其ILSS提高了9.7%，而Chandrasekaran等[6]采用同一工藝制備的復(fù)合材料的ILSS未見明顯改善。在GFRP中加入MWCNTs后，復(fù)合材料界面類型與數(shù)量均增加，MWCNTs表面性質(zhì)和分散性對復(fù)合材料的界面粘合和力學(xué)性能有很大影響，其高長徑比易產(chǎn)生分散不均或相互糾纏問題，導(dǎo)致其復(fù)合材料無法得到預(yù)期增強效果[7]。研究表明功能化MWCNTs可以在無水乙醇[8]或在水/甲醇中[9]形成穩(wěn)定分散相;Zeng等[10]分別用水解前后的氨基硅烷分散MWCNTs，均能有效提高M(jìn)WCNTs的分散效果。鄭益飛[11]等在GFRP中添加了0.1wt%羧基MWCNTs，其ILSS提高了18.6%;王柏臣等[12]將MWCNTs/玻璃纖維預(yù)制體通過樹脂傳遞模塑法制備的纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料的ILSS提高了15.1%?，F(xiàn)有研究大多使用胺類硅烷來改善玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的界面粘合性[13]，而添加MWCNTs后，考慮到MWCNTs高長徑比和共軛結(jié)構(gòu)，其與樹脂和玻璃纖維的界面作用較復(fù)雜，針對含硅烷改性MWCNTs的GFRP復(fù)合材料的界面和力學(xué)性能的系統(tǒng)性研究還較少。

本文選取了3種分別帶有氨基、乙烯基和長鏈烷基的硅烷偶聯(lián)劑作為MWCNTs表面改性劑，系統(tǒng)地探討了經(jīng)不同硅烷表面改性后，MWCNTs的分散情況及其對GFRP復(fù)合材料靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能和層間界面粘合性的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

單軸向E-玻璃纖維布，面密度1200g/m2，連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料有限公司;工業(yè)級羧基化多壁碳納米管，外徑20～40nm，長度～30μm，中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司;環(huán)氧樹脂及其固化劑，連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料有限公司;γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550），南京曙光化工集團(tuán)有限公司;乙烯基三乙氧基硅烷（CG151）、十二烷基三甲氧基硅烷（CG1231），南京辰工有機(jī)硅材料有限公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 改性MWCNTs的制備

在100mL無水乙醇中滴加0.0025g KH550，攪拌使其溶解后，緩慢加入0.05g MWCNTs，500W超聲下分散約45min，得到氨基硅烷改性的MWCNTs懸浮液，記為MWCNTs-a懸浮液。采用同樣方法，分別得到乙烯基改性的MWCNTs-v懸浮液和長鏈硅烷改性的MWCNTs-d懸浮液，未經(jīng)處理的羧基化MWCNTs懸浮液記為MWCNTs-n懸浮液。取等量MWCNTs-n懸浮液、MWCNTs-d懸浮液、MWCNTs-v懸浮液和MWCNTs-a懸浮液，分別編號為1～4，在室溫下靜置。

如圖1（a）所示，4個試樣在超聲作用下均可良好分散。靜置40min后，如圖1（b）所示，MWCNTs-n出現(xiàn)明顯沉降，MWCNTs-d和MWCNTs-v也有一定程度沉降，MWCNTs-a無明顯沉降，說明3種硅烷均有助于提高M(jìn)WCNTs分散性，其中氨基硅烷KH550可顯著提高M(jìn)WCNTs的分散穩(wěn)定性。

然后，將上述3種改性MWCNTs懸浮液分別進(jìn)行離心，將分離后的沉淀物用無水乙醇清洗并離心，如此反復(fù)3次，以去除多余硅烷。沉淀物在-0.1MPa、100℃下干燥8h后，分別得到氨基、乙烯基和長鏈硅烷改性的MWCNTs粉末，分別記為MWCNTs-a、MWCNTs-v、MWCNTs-d，未經(jīng)處理的羧基化MWCNTs記為MWCNTs-n。以上粉末均保存在真空干燥器中，備用。

1.2.2 MWCNTs/玻璃纖維預(yù)增強體的制備

稱取0.05gMWCNTs-a加入100mL無水乙醇中，在500W超聲下分散45min后，在其中放入300mm×200mm的E-玻璃纖維布，使其充分浸潤后，繼續(xù)超聲約5min后取出，90℃真空干燥8h，得到MWCNTs-a/玻璃纖維預(yù)增強體，記為MGF-a。采用同樣方法，由MWCNTs-v、MWCNTs-d和MWCNTs-n制備的預(yù)增強體分別記為MGF-v、MGF-d和MGF-n。

1.2.3 含MWCNTs的GFRP復(fù)合材料的制備

將兩層（或四層）干燥的MGF-a布置于自制的真空灌注（VARIM）系統(tǒng)中，經(jīng)密閉性檢驗后備用。然后按照100：34的配比，分別稱取環(huán)氧樹脂及其固化劑，充分?jǐn)嚢杌旌?，?jīng)脫泡處理后，借助真空導(dǎo)入上述VARIM系統(tǒng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)真空度使其中的MGF-a布被緩慢而充分浸漬。灌注完畢后，室溫下靜置固化24h后解除真空，然后將其移入鼓風(fēng)干燥箱升溫至70℃，繼續(xù)固化6h，得到含MWCNTs-a的GFRP復(fù)合材料，記為MGFE-a。采用上述同樣的方法，由MGF-v、MGF-d、MGF-n制得的相應(yīng)復(fù)合材料分別記為MGFE-v、MGFE-d、MGFE-n。

1.3 性能測試與表征

采用傅里葉變換紅外光譜儀（Vertex 80v， Bruker， Germany），溴化鉀（KBr）壓片法，分析MWCNTs粉末表面化學(xué)組成。掃描次數(shù)為32次，波數(shù)范圍為500～4000cm-1。

采用電子萬能材料試驗機(jī)（CMT-5105， China），參照ISO 527：1997標(biāo)準(zhǔn)I型試樣，測試試樣的拉伸性能;參照ISO 14125：1998標(biāo)準(zhǔn)，測試試樣的彎曲性能;參照ISO 14130：1997標(biāo)準(zhǔn)，測試試樣的層間剪切強度（ILSS）。以上均取5次實驗數(shù)據(jù)的平均值作為最后測試結(jié)果。

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（S-4800， Hitachi， Japan）觀察預(yù)增強玻璃纖維布表面及其復(fù)合材料斷面形貌特征。

采用動態(tài)力學(xué)分析儀（Q800， USA），測試復(fù)合材料試樣在三點彎曲模式下的動態(tài)粘彈性能，試樣尺寸為60mm×10mm×2mm，從室溫至250℃，升溫速率為5℃/min，測試頻率為1Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性MWCNTs的表面組成分析

硅烷中的有機(jī)基團(tuán)不同，其與羧基MWCNTs表面反應(yīng)或作用也不同，影響著MWCNTs表面組成，如圖2所示。

由圖2可見，MWCNTs-d和MWCNTs-a在2915和2861cm-1處的伸縮振動峰均有所變強，且MWCNTs-a在1452cm-1處還存在明顯的彎曲振動峰，這些歸因于硅烷中的-CH2-，峰強與硅烷亞甲基鏈長度及其與MWCNTs表面反應(yīng)程度有關(guān)。MWCNTs-a在3430cm-1處的吸收峰變強、峰寬變大，是KH550中的-NH-和MWCNTs表面的-OH重疊所致;1250cm-1處為C-N的伸縮振動峰，在1714cm-1處峰強變強說明氨基與羧基反應(yīng)生成了酰胺基團(tuán)-CONH2。此外，MWCNTs-v、MWCNTs-d和MWCNTs-a在1107cm-1處的伸縮振動峰均變強，說明存在Si-O-C鍵，表明三種硅烷均有效地接枝到了羧基化MWCNTs表面，而MWCNTs-a在1107cm-1處的峰形更強更尖，說明氨基硅烷KH550與羧基MWCNTs表面反應(yīng)最充分。

2.2? ? ?MWCNTs的表面組成對GFRP力學(xué)性能的影響

MWCNTs可明顯提高GFRP的力學(xué)性能[14]。為了探究MWCNTs表面組成對其力學(xué)性能的影響，圖3比較了GFRP、MGFE-n、MGFE-v、MGFE-a、MGFE-d的拉伸和彎曲性能。

由圖3可知，無論氨基、乙烯基還是長鏈硅烷改性的MWCNTs，其GFRP復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能均優(yōu)于含未改性MWCNTs的GFRP，其中經(jīng)氨基硅烷改性的MWCNTs對復(fù)合材料力學(xué)性能的提升最明顯。與MGFE-n相比，MGFE-v的拉伸強度和模量分別提高了3.6%和6.2%，彎曲強度和模量分別提高了2.7%和5.5%;MGFE-a的拉伸強度和模量分別提高了19.2%和19.7%，彎曲強度和模量分別提高了18.9%和19.3%;MGFE-d的拉伸強度和模量分別提高了11.9%和8.4%，彎曲強度和模量分別提高了12.7%和9.4%。

綜上所述，經(jīng)硅烷改性的MWCNTs可以進(jìn)一步提升復(fù)合材料的力學(xué)性能，這是由于硅烷改性后的MWCNTs分散性提高，在超聲作用下可以均勻地分散在玻璃纖維布表面，起到增強作用。其中，MGFE-a的各項力學(xué)性能最好，一方面與其較好的分散穩(wěn)定性促進(jìn)了復(fù)合材料界面間的交互作用有關(guān)，另一方面與接枝在MWCNTs表面的氨基更容易參與環(huán)氧的固化反應(yīng)[15]有關(guān)，有效地提高了復(fù)合材料界面粘合強度，從而顯著提升了其力學(xué)性能。

2.3 MWCNTs的表面組成對GFRP層間粘合性能的影響

層間剪切性能常用于衡量復(fù)合材料的層間粘結(jié)性能。圖4為MWCNTs經(jīng)氨基、乙烯基和長鏈硅烷改性前后對其復(fù)合材料的載荷-位移曲線和ILSS的影響。

由圖4（a）可知，MWCNTs的引入顯著提高了GFRP的抗剪切載荷，且在破壞或屈服前，載荷隨著位移增加而平穩(wěn)提高;位移大于1.5mm后，含MWCNTs的GFRP剪切載荷隨位移的變化明顯變緩，可以在相當(dāng)一段位移區(qū)間內(nèi)保持高載荷。雖然復(fù)合材料發(fā)生層間剪切時處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，得到的僅是表觀層間剪切強度，但為了評估復(fù)合材料在層間剪切破壞時MWCNTs改性前后對層間破壞的力學(xué)狀態(tài)，我們選取GFRP的載荷峰值為基準(zhǔn)，以原點作為積分起點，以該基準(zhǔn)水平線與含MWCNTs的GFRP復(fù)合材料載荷曲線下降段產(chǎn)生的交點作為積分終點，計算載荷-位移曲線下的面積，來估算在剪切載荷作用下，復(fù)合材料的層間斷裂功（Wf）。表1列出了含MWCNTs的GFRP復(fù)合材料的Wf值。?Wf為相對于GFRP，含MWCNTs的復(fù)合材料的Wf值增量。?Wf?為相對于MGFE-n，含硅烷改性MWCNTs的復(fù)合材料的Wf值增量。由表1可知，含MWCNTs的復(fù)合材料的Wf明顯高于GFRP，含硅烷改性MWCNTs的復(fù)合材料的Wf值進(jìn)一步增大，其中MGFE-a的Wf值最大，這是由于MWCNTs-a分散性好，較容易在復(fù)合材料層間起到“橋連”的鎖合作用，加固了層間樹脂的強度和層間連接。

由圖4（b）可知，添加MWCNTs可以明顯提高GFRP的ILSS。與MGFE-n相比，MGFE-v、MGFE-a、MGFE-d的ILSS又分別提高了4.7%、15.2%、10.8%。綜上所述，硅烷改性后的MWCNTs可進(jìn)一步提升GFRP的層間剪切性能，尤其是氨基硅烷改性的MWCNTs的貢獻(xiàn)最為明顯。

2.4 MWCNTs表面組成對GFRP界面性能的影響

2.4.1 對MWCNTs/玻璃纖維預(yù)增強體形貌的影響

MWCNTs的良好分散是提高其GFRP復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵性因素之一。圖5為MWCNTs在玻璃纖維表面的分布形態(tài)的SEM圖，由圖5可見，改變MWCNTs表面組成有助于提高其在纖維表面的分散性。原始玻璃纖維表面僅包覆有極薄的浸潤劑層，較光滑（圖5（a））。MGF-n表面MWCNTs分布不均勻，且存在明顯的MWCNTs團(tuán)聚體（圖5（b））。經(jīng)硅烷改性后的MWCNTs分散性明顯改善，在玻璃纖維表面呈網(wǎng)狀分布，預(yù)增強體的表面粗糙度明顯增加，但是也存在MWCNTs之間糾纏的現(xiàn)象。其中MGF-a表面（圖5（d））的MWCNTs分布呈現(xiàn)出多量且致密的特點，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松，外邊緣可見毛茸狀的MWCNTs，與纖維表面結(jié)合效果較好;MGF-v表面（圖5（c））的MWCNTs分布不均勻，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較密，且在纖維表面的附著量較圖5d少;MGF-d表面（圖5（e））的MWCNTs分布相對均勻，但是在纖維表面的附著量偏少，這是由于CG1231中的烷基長鏈與MWCNTs之間僅靠物理吸附或分子間作用力分散在纖維表面。

綜上分析可知，MWCNTs可通過氫鍵作用吸附在纖維表面。KH550中的氨基和MWCNTs的羧基產(chǎn)生化學(xué)鍵合，和氫鍵共同促進(jìn)纖維表面靜電作用，從而使MWCNTs在纖維表面形成以網(wǎng)狀包覆層，分散性得以提高。雖然CG151的乙烯基與羧基MWCNTs中共軛不完全的部分可能進(jìn)行Diels-Alder反應(yīng)[16]，但是CG151的分子鏈較短，與MWCNTs的共軛作用力較弱，因此在纖維表面的負(fù)載量較少。

2.4.2 對GFRP斷裂形貌的影響

圖6為含MWCNTs的GFRP復(fù)合材料在短梁剪切試驗后的斷口在2000倍數(shù)下的SEM圖，斷裂破壞主要發(fā)生在纖維/樹脂界面。

圖6（a）中樹脂與纖維之間碎片樹脂較多，且與纖維呈剝離狀，界面粘合差。圖6（b）顯示含MWCNTs-n的GFRP斷裂形貌，樹脂碎片也較多，但與纖維之間大多仍呈剝離態(tài)，表明其界面粘合性也不佳。圖6（c）～（e）為含硅烷改性MWCNTs的復(fù)合材料斷面，樹脂包覆在纖維表面且破碎后呈波紋狀，說明界面粘合性增強，樹脂從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，可見經(jīng)硅烷改性的MWCNTs可以有效地改善復(fù)合材料中的MWCNTs/樹脂/纖維界面的相互結(jié)合。其中圖6（d）中，纖維完全被樹脂包覆，纖維與樹脂之間的界面結(jié)合緊密，表明MGFE-a的界面粘合性能最好。這與圖5（d）中的纖維表面粗糙度大，且MWCNTs之間的網(wǎng)絡(luò)疏松均勻密切有關(guān)。此外，MWCNTs中的-COOH、KH550中的-NH2和環(huán)氧分子之間也存在多重化學(xué)鍵合作用，賦予了MGFE-a較高的界面粘合強度。

2.5 MWCNTs表面組成對GFRP動態(tài)粘彈性的影響

在前面的2.2中討論了MWCNTs表面對GFRP在常溫單方向應(yīng)力下復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能的影響（圖3）。為了探討含MWCNTs的GFRP在交變應(yīng)力下隨溫度升高微觀力學(xué)性能的變化，圖7顯示了含MWCNTs的GFRP復(fù)合材料的儲能模量和損耗因子隨溫度的變化，其初始儲能模量（E?）、損耗模量（E??）、玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）以及損耗因子峰值（tanδ）列于表2。

由圖7（a）可知，與GFRP相比，添加了MWCNTs的GFRP復(fù)合材料的E?明顯提高，添加了硅烷改性MWCNTs的復(fù)合材料的E?又進(jìn)一步提高，其中MGFE-a的E?值最大。相對于MGFE-n，MGFE-a的E?提升了13.0%，MGFE-v和MGFE-d的E?分別提升了7.0%和11.2%，而且MGFE-a在高溫區(qū)模量保持性最好，這進(jìn)一步說明氨基硅烷、羧基MWCNTs和環(huán)氧之間存在較強的化學(xué)結(jié)合力，抑制了周圍樹脂分子鏈段的運動，使復(fù)合材料的儲能模量和耐溫性得到提高。這個結(jié)論與2.2中宏觀力學(xué)性能的研究結(jié)果吻合。

圖7（b）中出現(xiàn)了兩個松弛峰，這是由于所用固化劑是兩種不同分子量的混合胺[17]。由圖7 （b）和表2可知，與GFRP比較，添加MWCNTs后，復(fù)合材料損耗峰右移，且峰內(nèi)面積減少，說明復(fù)合材料耐溫性提高，內(nèi)耗降低。此外，硅烷改性后，MWCNTs表面組成不同，其對GFRP的玻璃化溫度及其損耗模量的影響程度也略有不同。MWCNTs本身對樹脂的束縛，以及其表面組成與樹脂之間的相互作用，均對復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變和損耗模量都產(chǎn)生較大影響。其中在溫度較低的Tg1段，MWCNTs對樹脂的束縛作用占主導(dǎo)，在溫度較高的Tg2段，MWCNTs表面與樹脂之間的相互作用占主導(dǎo)。與MGFE-a相比，MGFE-v和MGFE-d的Tg1明顯偏低，而Tg2略高，這可能是由于在高溫下MWCNTs與其表面的乙烯基共軛效應(yīng)增加，長鏈烷基與MWCNTs分子間相互作用有所提高所致?？偟膩碚f，MGFE-a在兩個玻璃化轉(zhuǎn)變點都表現(xiàn)出較高的耐溫性。

3 結(jié)論

（1）氨基、乙烯基還是長鏈硅烷均有助于改善MWCNTs的分散性。其中，氨基硅烷KH550對MWCNTs的改性效果優(yōu)于乙烯基硅烷CG151和長鏈硅烷CG1231。

（2）氨基、乙烯基和長鏈硅烷改性MWCNTs對GFRP的力學(xué)性能和層間粘合性均有明顯提升作用。相對于MGFE-n，MGFE-a的各項性能提升均顯著，其拉伸強度和模量分別提高了19.2%和19.7%，彎曲強度和模量分別提高了18.9%和19.3%，ILSS和Wf分別提升了15.2%和48.2%。

（3）MWCNTs經(jīng)硅烷改性后，明顯降低了其GFRP復(fù)合材料的脆性斷裂和層間脫粘現(xiàn)象，加強了纖維與樹脂的界面粘合。其中氨基硅烷改性MWCNTs在GFRP中分散均勻，MGFE-a界面粘合性能最佳，呈現(xiàn)韌性斷裂特征，其強度和韌性的同步提高，有望進(jìn)一步拓展GFRP潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。

（4）MWCNTs對樹脂的束縛作用及其表面與樹脂之間的相互作用可以影響復(fù)合材料的動態(tài)粘彈性，且其對玻璃化轉(zhuǎn)變和內(nèi)耗的影響，對溫度有一定的依賴性。含硅烷表面改性MWCNTs的復(fù)合材料，其E?和Tg均明顯提高，相應(yīng)的E??和tanδ降低，內(nèi)耗降低。其中MGFE-a的E?值最大，相對于GFE-n提高了13.0%，損耗因子降低了15.6%，玻璃化溫度Tg1和Tg2分別提高了約6.6℃和5.2℃，且高溫模量保持性最好。

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