上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber-Reinforced Polymer，簡稱FRP）是單向纖維或者纖維布與樹脂復(fù)合而成的一種材料。FRP與傳統(tǒng)的鋼、鋁等金屬材料相比，具有高強(qiáng)重比、拉伸模量比和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能[1]。對FRP常用纖維中的玄武巖纖維（BF）及玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）的研究與應(yīng)用尚處于探索階段。但BF以價格低廉，力學(xué)性能優(yōu)異吸引了工程材料研究人員的目光。

BF是以玄武巖為原料，通過高溫熔融、高速拉直而成，與玻璃纖維（GF）制造工藝相似。BF的主要成分是氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化亞鐵、氧化鈣、氧化鎂等[2]。BF與GF相比，不僅具有更好的耐酸堿性、惡劣環(huán)境適應(yīng)性，而且拉伸強(qiáng)度、彈性模量也基本相似，因此在FRP中可以用BF代替GF，使部分力學(xué)性能更優(yōu)異。在價格方面，BF與GF差不多，但與碳纖維（CF）相比具有絕對的優(yōu)勢（表1）。

表1 纖維的性質(zhì)及價格

BF最初作為一種高新纖維，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。后來由于技術(shù)進(jìn)步、應(yīng)用研究領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，目前BF及BFRP的民用主要集中在對建筑材料、構(gòu)件的增強(qiáng)及建筑的修復(fù)方面。在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方面，北京林業(yè)大學(xué)致力于研究BFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材（膠合木），在膠合、增強(qiáng)工藝及力學(xué)方面有了較大進(jìn)展。其他研究單位也在BFRP增強(qiáng)木梁、連接節(jié)點(diǎn)、固件的修復(fù)方面進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。可以預(yù)見，一旦BFRP增強(qiáng)技術(shù)成熟，其在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將得到廣泛的應(yīng)用。

1 BFRP性能

BFRP是纖維與樹脂的復(fù)合，其性能是由兩者的性能及結(jié)合強(qiáng)度決定的。南京某公司生產(chǎn)的乙烯酯基BFRP拉伸強(qiáng)度為934 MPa，而環(huán)氧樹脂基BFRP拉伸強(qiáng)度為1 202 MPa，樹脂基體不同，BFRP力學(xué)性能也會有差異。有研究表明，以環(huán)氧樹脂為基體時，BFRP的力學(xué)性能要優(yōu)于GFRP[3]，并且在材料耐久性研究中，通過凍融實(shí)驗(yàn)，BFRP、GFRP力學(xué)性能得到很好的保持，而CFRP的強(qiáng)度與彈性模量分別下降16%與18%。

但是研究發(fā)現(xiàn)BFRP同樣也存在很多問題，例如南京某公司生產(chǎn)的乙烯酯基BFRP破壞表面經(jīng)電子掃描顯微鏡（SEM）表征分析（圖1a），可以看到BFRP中BF表面非常光滑，沒有被劃傷、破壞，纖維也沒有與樹脂發(fā)生粘連，破壞后甚至可以在兩者之間看到明顯縫隙，這表明玄武巖纖維與樹脂之間既沒有有效的物理機(jī)械結(jié)合，也沒有有效的化學(xué)鍵結(jié)合，即沒有形成有效的復(fù)合界面。在BF與大麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的SEM圖中（圖1b），破壞的斷裂面的大麻纖維與BF都幾乎沒有損傷，也就是說這2種纖維與樹脂之間都沒有有效的黏合，而是光滑接觸。同樣在BF增強(qiáng)乙烯基酯/環(huán)氧混合樹脂中，纖維在未添加助劑時，纖維與樹脂之間的結(jié)合為光滑結(jié)合，在SEM下觀察破壞的斷面，表現(xiàn)為纖維直接拉出并在基體上留有明顯的孔洞，而纖維表面幾乎沒有劃傷的痕跡[4]。

圖1 BFRP破壞后的SEM照片

綜上所述，我們可以看到影響B(tài)FRP的性能的問題，除了BF與樹脂本身特性外，歸根結(jié)底是纖維與基體間界面結(jié)合的問題，界面的結(jié)合方式與強(qiáng)度直接影響B(tài)FRP的力學(xué)性能，必須通過某些方法來增強(qiáng)纖維與基體間的界面結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)直接或間接地提高BFRP各方面性能的目的。

2 界面研究

復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為三相： 基體相、增強(qiáng)相和界面相。在FRP中界面相是基體相與增強(qiáng)相接觸連接的部分，界面在復(fù)合材料中具有特別重要的意義，它不但是復(fù)合材料中增強(qiáng)相和基體相連接的紐帶，也是應(yīng)力、應(yīng)變傳遞的橋梁。界面的改善方式主要體現(xiàn)在2個方面，即纖維的處理及樹脂基體的改性。

2.1 纖維的表面處理

纖維的表面處理主要是通過化學(xué)或物理方法改變其表面狀態(tài)，例如改變纖維表面粗糙度或者增加活性基團(tuán)，使其與基體增加機(jī)械鎖合或化學(xué)鍵結(jié)合，增加纖維與基體間的連接強(qiáng)度，從而提高BFRP的整體強(qiáng)度。在BFRP中，纖維與樹脂界面改善最常用的處理方式是用偶聯(lián)劑處理纖維，通過對比常用硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560和KH570處理纖維的效果，發(fā)現(xiàn)KH550處理BF后對BFRP的增強(qiáng)效果最好[5]。同時用KH550處理纖維增強(qiáng)不同樹脂基體進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量百分比的KH550處理BF對不同樹脂基體的BFRP強(qiáng)度有不同影響。例如，基體為環(huán)氧樹脂時，1.0%最佳；基體為酚醛樹脂時，0.8%最好[6]。

偶聯(lián)劑處理纖維的原理是KH550分子鏈與纖維之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合，鏈端再與樹脂結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而提高BFRP的強(qiáng)度。 除了偶聯(lián)劑外，其他處理方式也從改善纖維表面活性方面出發(fā)被用以處理BF。例如環(huán)氧硅烷與乙烯基硅烷[4]、大氣壓輝光放電、低溫等離子體等方法；通過這些方法的處理后，BFRP力學(xué)性能都顯著提高，SEM照片也顯示纖維與基體間形成了有效黏合，說明了這些方法的有效性。

提高纖維與樹脂的結(jié)合強(qiáng)度除了改善纖維表面的活性，還可以提高表面粗糙度，從而提高纖維與樹脂間機(jī)械鎖合的強(qiáng)度；或者通過某些處理方法來提高纖維的自身強(qiáng)度，從而間接達(dá)到提高BFRP整體強(qiáng)度的目的。Manikandan V.，Jappes J. T.等[7]在室溫下研究了BF經(jīng)過氫氧化鈉與硫酸處理的增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，通過測試其抗張強(qiáng)度、內(nèi)部層間強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)BFRP明顯高于GFRP。SEM顯示破壞表面經(jīng)纖維表面處理后提高了纖維與基體的黏合強(qiáng)度。另外，鹽酸處理這種方法也被用來研究，可能是由于酸刻蝕破壞了BF的纖維結(jié)構(gòu)，造成BFRP力學(xué)性能沒有明顯提高。而通過納米SiO2/環(huán)氧復(fù)合涂層對BF進(jìn)行表面改性，發(fā)現(xiàn)BF的力學(xué)性能提高了15%，抗堿腐蝕能力提高了40%。此外，BF改性也提高了復(fù)合后BFRP的界面性能，其層間剪切強(qiáng)度提高了20%。

不論是化學(xué)方法還是物理方法，對纖維表面進(jìn)行處理都是為了提高纖維與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高BFRP的力學(xué)強(qiáng)度。纖維表面經(jīng)涂層處理后，與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度還依賴于涂層與兩者之間的結(jié)合性，因此，在纖維與樹脂之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合，是提高兩者結(jié)合強(qiáng)度的最佳方式。

2.2 樹脂的處理

提高BFRP強(qiáng)度的方法除了對BF的表面處理以外，還有對樹脂的改性與處理。這種方式適用于樹脂基體本身強(qiáng)度不高，或者某些力學(xué)性能指標(biāo)較差的樹脂。例如大部分常見的熱塑性樹脂、聚乳酸等。樹脂的改性對于BFRP強(qiáng)度的提高主要依賴于改性樹脂的強(qiáng)度及其與纖維之間的物理結(jié)合強(qiáng)度的提高。

常用的樹脂改性的方法主要是通過接枝或者加入助劑的方式。例如Botev M.，Betchev H.等[8]通過在聚丙烯樹脂（PP樹脂）上接枝馬來酸酐（圖2），使得短切纖維增強(qiáng)的PP樹脂的強(qiáng)度從27 MPa提高到35 MPa。Liu Tao，Yu Fengmei等[9]研究聚乳酸（PLA）添加了接枝馬來酸酐的聚氧化乙烯（POE-g-MAH）、三元乙丙橡膠（EPDM-g-MAH）與乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯（EAGMA）后，發(fā)現(xiàn)BF增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的韌性增加，且比GF有更好的增強(qiáng)和增韌效果。同時EAGMA比POE-g-MAH和EPDM-g-MAH有更好的增韌效果。EAGMA的質(zhì)量百分比達(dá)到20%時， BF/PLA/EAGMA的沖擊強(qiáng)度增加到33.7 kJ/m2，相對于純的PLA增加71%。

3 結(jié)語

盡管對提高BFRP復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的方法已經(jīng)有許多，但都僅限于對纖維處理或樹脂改性。許多方法通過實(shí)驗(yàn)證明了其有效性，但目前的研究仍有不足。并且由于界面存在的復(fù)雜性及技術(shù)條件所限，目前研究界面結(jié)合強(qiáng)度主要依靠間接測試BFRP層間剪切強(qiáng)度與SEM照片，雖在一定程度上說明了界面結(jié)合問題，但纖維與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度并不易實(shí)際測定來表征兩者間結(jié)合的優(yōu)劣。因此如何通過更有效的手段來提高纖維增強(qiáng)強(qiáng)度，并用更有效的表征或者理論方式來研究仍是以后研究的重點(diǎn)[7-9]。

圖2 接枝馬來酸酐的聚丙烯樹脂（PP樹脂）