聚乙烯醇缩丁醛及纳米二氧化硅增韧改性玻璃纤维/酚醛树脂复合材料

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酚醛树脂作为重要合成树脂之一,由于其合成简单、价格低廉、优异的力学性能以及耐热和阻燃性而被广泛应用于航空航天、轨道交通、电子封装、木材行业等。但是热固性酚醛树脂由于具有高度交联的化学结构和较高的分子链段刚性,因此存在脆性较大的缺点,特别是当酚醛树脂用于纤维增强复合材料基体树脂时,往往导致复合材料的层间抗冲击性能较差。本文以玻璃纤维为增强体,热固性酚醛树脂为基体制备玻璃纤维/酚醛树脂复合材料,通过在酚醛树脂基体中加入聚乙烯醇缩丁醛( PVB )、纳米二氧化硅( nano-SiO2 )及PVB/nano-SiO2组合物来实现玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的层间增韧,研究了不同增韧剂及其含量对复合材料的增韧效果。此外,还以玻璃纤维/酚醛树脂复合材料为面板,芳纶蜂窝为芯材制备了三明治夹芯复合材料,研究了树脂基体中加入上述增韧材料对面板和芯材之间界面作用的影响。
  首先,采用PVB和纳米SiO2两种类型的增韧剂,复合材料的力学性能均有提高。其中随着PVB含量的增加,玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的弯曲性能和层间断裂韧性都随之提高,断裂面扫描电镜(SEM)观察结果表明PVB的加入使玻璃纤维与酚醛树脂之间的作用增强,纤维表面黏附有大量树脂。对于三明治夹芯复合材料,滚筒剥离测试结果表明,PVB的加入明显提高了面板和芯材之间的结合力。但PVB的加入一定程度上降低了材料的耐热性和阻燃性,改性后的材料的玻璃化转变温度、残炭率、极限氧指数均有所下降。
  其次,与加入PVB改性不同的是,纳米SiO2改性酚醛树脂可同时提高了玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的力学性能和耐热和阻燃性能,其弯曲强度、层间断裂韧性和夹芯复合材料滚筒剥离强度随着纳米SiO2含量的增加先提高后降低。SEM观察结果表明,纳米SiO2改性酚醛树脂增强了纤维和树脂之间的结合力,使得试样受到冲击时,基体树脂可以通过界面作用传递应力载荷,此外纳米SiO2粒子均匀分布在树脂中,当受到外力冲击时产生应力集中,引发银纹吸收能量,达到了增韧目的。
  最后,本文进一步研究了PVB和纳米SiO2协同增韧玻璃纤维/酚醛树脂复合材料,结果表明,酚醛树脂中加入PVB和纳米SiO2后,玻璃纤维/酚醛树脂的弯曲、层间断裂韧性和夹芯复合材料滚筒剥离强度都得到了大幅度提高,增强效果优于加入单一增强材料,表明了PVB和纳米SiO2具有明显的协同增强效应。从改性后复合材料的耐热性能来看,虽然材料的耐热性稍有下降,但纳米SiO2的加入有助于改善单一PVB改性降低酚醛树脂耐热性和阻燃性这一缺陷。
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