关于组成复合材料的各部分的浸润性与相容性的探讨

• 背景与概念：

1. 界面效应：

在复合材料的界面部分，由于基体与增强物之间化学成分有显著变化，在构成彼此结合的、起载荷传递作用的微小区域会产生例如传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应等一系列的界面效应。这些界面效应正是复合材料区别于单一材料的特性，它对复合材料具有重要的作用。

界面结合较差,增强体不能发挥作用；界面结合过强，材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则呈脆性断裂。因而把复合材料调整至拥有具有最大断裂能和一定的韧性的最佳界面状态便成为了重要课题。

在众多影响因素中组成复合材料各组分的浸润性及相容性便是影响较大的两项，因此如何改善材料的浸润性与相容性也就成为了复合材料领域的重要研究方向。

1. 浸润性：

浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。

一滴液体滴落在一固体表面时，原来固-气接触界面将被液-固界面和液-气界面所代替引入铺展系数SC(Spreading Coefficient)的定义只有当铺展系数SC＞0时，才能发生浸润。

在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材料的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。

在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性,则直接影响到界面粘结强度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的 复合体系。

浸润不良会在界面上产生空隙,导致界面缺陷和应力集中,使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高,甚至优于基体本身的内聚强度。但浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况,而并不能表示界面的粘结性能。

1. 相容性:

相容性是指在加工和使用过程中，复合材料中各组元之间的相互配合程度。

复合材料的相容性包括物理相容与化学相容。

• 物理相容：体现在应力作用下和热变化时，材料性能和材料常数之间的关系

（1）力学相容：主要指基体应有足够韧性和强度，能将外部载荷均 匀地传到增强物上，而不会产生明显地不连续现象。

（2）热相容：指基体和增强材料在热膨胀时相互配合地程度。

• 化学相容性：体现复合材料在界面处发生化学反应平衡与速率。

（1）化学热力学相容：要求复合材料中两相热力学平衡，或者发生 有害反应的化学动力学十分缓慢。

（2） 动力学相容：即反应速度问题在界面部分叙述。

• 改善浸润性的常用工艺手段

1. 使用偶联剂

偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面形成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化学试剂。常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。

1. 增强纤维表面活化

       通过各种表面处理方法，如表面氧化、等离子处理，可在惰性的碳纤维或玻璃纤维表面上引入活性官能团，例如： -OH、-COOH、  C=O、-NH2等。这些官能团一方面与基体中活性基团反应（如氨基、羧基、环氧基、羟基等等），另一方面也可提高纤维与基体相容性，从而提高强度。

1. 使用聚合物涂层

       聚合物涂层与增强纤维和基体都有良好的浸润性，所以能有效地改善PMC界面粘接状况。聚合物涂层的另一个作用是改善界面的应力状态，降低界面的残余应力改善聚合物基复合材料的冲击韧性和疲劳性能。

• 改善相容性的常用工艺手段

• 界面融合剂处理

改进两种不同性质的界面融合性的一种方法是加入界面融合剂。其原理是界面融合剂中的一些组份与其中的一种聚合物相融，另一些组份与另一种聚合物相融，最终达到两聚合物之间的融合。

• 对材料进行化学改性

例如对塑料基材进行的化学改性方法有，在自由基存在条件下用顺丁烯二酸酐（MA）对聚乙烯进行加成反应，将MA上的极性基团引入到非极性的聚乙烯分子中，使改性后的聚乙烯具有一定的极性。

• 对表面进行预处理

预处理有物理方法和化学方法

物理方法由于放电处理，如低温等离子放电、溅射放电、电晕放电等。

化学方法主要是在表面通过对极性官能团进行酯化、醚化、接枝共聚等进行改性处理。

• 化学处理

目前常用的有采用偶联剂、增容剂和单体预浸渍聚合等方法。

• 等离子体活化改善碳纤维复合材料浸润性

1. 主要操作：

为了提高碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）的浸润性，采用霍尔离子源等离子体放电对复合材料表面进行活化处理

1. 处理结果：

活化所得基体表面的浸润性都显著提高；由红外光谱分析可知 Ｃ—Ｃ数量 减少， Ｃ—Ｏ数量增加，酯基数量减少，酮基、羧基和醇 羟基数量相应增加，基体表面极性增强，浸润性显著提高。基体表面活化后存在“老化”现象，常温水中保存可以延缓这种现象。

1. 改善原理：

综合对比４张图片可得，等离子体活化后基体表面杂质颗粒明显减少，同时由于活性离子的刻蚀作用，基体表面会出现不同程度的沟壑和突起，表面粗糙程度有所提高。复合材料表面粗糙度对其浸润性有一定影响，图片显示活化后基体表面变粗糙，且浸润性变好，可以得出一定范围内通过改善产品粗糙度的方式提高浸润性。

通过红外光谱分析，发现经等离子体活化后，基体表面Ｃ—Ｃ数量减少， Ｃ—Ｏ 数量增加，同时酯基数量减少，酮基、羧基和醇羟基数量相应增加，基体表面极性键和极性基团增加，可以得出一定范围内通过使纤维表面活化的方式提高浸润性。

• 竹纤维／聚乳酸可降解复合材料相容界面构建

1. 研究背景

在制备天然竹纤维／聚乳酸可降解复合材料的过程中，亲水的极性天然竹纤维表面与疏水的非极性可降解树脂界面之间缺乏相容性，阻碍竹纤维的表面层与可降解树脂的表面层之间实现分子间的融合，因此增强相容性便成为研究重点。

1. 主要操作1：

在对竹纤维进行酰基化改性后将其与聚丁二酸丁二醇酯（ＰＢＳ）共混，进行酯化处理。

改善原理：

竹纤维表面的羟基被酰基取代，打破了竹纤维分子间的氢键，从而提高了竹纤维的表面粗糙度且降低了其极性，最终改善了复合材料的相容性和力学性能

1. 主要操作2：

在界面使用偶联剂，以赖氨酸基异氰酸酯（LDI）为偶联剂，通过模压成型制得 PLA竹纤维复合材料

处理结果：

与未使用偶联剂的PBS竹纤维复合材料相比，使用偶联剂KH560进行表面处理的PBS竹纤维复合材料的 拉伸强度、弯曲强度及冲击强度均有所提高。特别是KH560用量为５％时，PBS竹纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度处于极值，与纯PBS树脂相比冲击强度提高了约50％。随着竹纤维含量的增加，复合材料的力学性能提高，热变形温 度升高，其生物降解速率也明显大于纯PBS树脂的降解速率，随降解时间的延长，失重率逐渐增大，复合材料的拉伸强度、耐水性能及界面结合性能均得到改善

改善原理：

偶联剂的作用一方面体现在与竹纤维表面基团发生化学反应来提高纤维与可降解树脂基体界面键合的稳定性；另一方面体现在避免竹纤维溶胀的同时可促使竹纤维和可降解树脂聚合物之间形成稳定的交联结构

参考文献：

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