明琳　馮旭煌　邵靈達(dá)　丁昊　孫澤宇　馬雷雷　田偉　祝成炎

摘 要：為改善玻璃纖維（Glass fiber， GF）與乙烯基酯樹脂（Epoxy vinyl ester resin， VER）間界面性能，使用氫氧化鈉溶液對(duì)GF進(jìn)行表面改性處理。借助掃描電鏡、紅外光譜儀、萬能材料試驗(yàn)機(jī)、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)等，分析改性前后GF的表面形態(tài)與化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。測(cè)試改性前后GF/VER復(fù)合材料的單絲和纖維束界面剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度。研究氫氧化鈉處理對(duì)GF/VER復(fù)合材料的界面性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理后，GF浸潤(rùn)性得到改善，表面變得粗糙，表面活性基團(tuán)增多。單絲和纖維束的界面剪切強(qiáng)度相比改性前分別提升了25.31%、27.48%。GF/VER復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度相比改性前分別提升了20.96%、25.40%。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；乙烯基酯樹脂；界面改性；力學(xué)性能；真空輔助樹脂灌注成型

中圖分類號(hào)：TS15 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2023）06-0100-10

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有力學(xué)性能好、耐腐蝕、耐高溫、可塑造性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］，常應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域［2-3］。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常為高性能纖維，其中玻璃纖維（Glass fiber， GF）具有抗拉強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、成本低等優(yōu)點(diǎn)。乙烯基酯樹脂（Epoxy vinyl ester resin， VER）為熱固性樹脂，在常溫下可固化，固化迅速，因此VER常被用作復(fù)合材料中的樹脂基體。但是GF外觀為光滑的圓柱體，呈化學(xué)惰性，浸潤(rùn)性差，導(dǎo)致了GF與VER之間的粘結(jié)效果相對(duì)較差，使得GF/VER復(fù)合材料受力時(shí)纖維容易從樹脂中滑脫［4-6］。因此對(duì)GF表面改性從而改善GF/VER復(fù)合材料的界面及力學(xué)性能具有很大的應(yīng)用前景。

目前，纖維表面改性的方法主要有酸堿改性［7］、偶聯(lián)劑改性［8］、表面涂層改性［9］、等離子體改性［10］等。例如：孫文強(qiáng)等［11］利用酸、堿溶液對(duì)GF進(jìn)行表面處理，改性后纖維表面變得粗糙，浸潤(rùn)性得到改善，但GF的強(qiáng)度受到了損傷。劉龍等［12］利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)芳綸纖維進(jìn)行改性，改性后的芳綸纖維活性基團(tuán)增多，改善了復(fù)合材料的層間結(jié)合性能和抗沖擊性能。曹海琳等［13］利用表面涂層技術(shù)對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行改性，改性后纖維表面變得粗糙，拉伸強(qiáng)度提高，復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度得到改善。Li等［14］利用等離子體技術(shù)對(duì)GF表面進(jìn)行改性，改善了GF的浸潤(rùn)性，增強(qiáng)了復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度。其中偶聯(lián)劑、表面涂層以及等離子體的改性方法對(duì)纖維的損傷較小，但改性的效果具有時(shí)效性，存在退化效應(yīng)，且操作較復(fù)雜，成本較高［15-16］。酸、堿改性會(huì)損傷纖維的強(qiáng)度，但易操作、成本低，纖維表面改性效果明顯［17］。

當(dāng)前，研究界面性能的方法主要分為兩類：一類是微觀測(cè)試法，另一類是宏觀測(cè)試法。在微觀上主要有微滴脫粘法、纖維抽拔法、單絲斷裂法、壓膜突出法、理論模型等［18-19］。在宏觀上主要有短梁剪切、導(dǎo)槽剪切、橫向拉伸、縱橫剪切等［20-22］。其中纖維抽拔法制備樣品較困難，纖維直徑小，較脆易斷，埋入深度難以控制。但此方法所測(cè)得的剪切力是直接垂直作用在纖維與樹脂基體之間的，測(cè)得的數(shù)據(jù)更具準(zhǔn)確性，且可直接觀察纖維從樹脂中抽拔出的現(xiàn)象，擁有直觀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［23］。因此，本文采用氫氧化鈉對(duì)GF進(jìn)行改性處理，通過單絲抽拔與纖維束抽拔的方法，研究GF與VER的界面性能。將單絲與纖維束抽拔的兩種方法相結(jié)合，更接近復(fù)合材料中纖維與樹脂結(jié)合的真實(shí)狀態(tài)，可以較好地還原材料的實(shí)際受載荷情況［24］。采用真空輔助樹脂灌注成型技術(shù)制備GF/VER復(fù)合材料。通過測(cè)試改性前后GF/VER復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度，研究GF/VER復(fù)合材料的力學(xué)性能。從微觀和宏觀兩個(gè)角度，研究氫氧化鈉處理對(duì) GF/VER復(fù)合材料界面及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玻璃纖維織物：平紋，面密度為250 g/m 厚度為0.25 mm，經(jīng)密為34根/（10 cm），緯密為26根/（10 cm），纖維束線密度/根數(shù)為450 tex/（800 f），單絲線密度為5.63 dtex，纖維束直徑為1 mm，單絲直徑為7.20 μm，巨石集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。乙烯基酯樹脂：SWANCOR 901，苯乙烯型，廣州愉星企業(yè)有限公司生產(chǎn)。聚酰亞胺薄膜：厚度為0.1 mm，萬達(dá)微電子材料有限公司生產(chǎn)。氫氧化鈉：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%，顆粒狀，杭州米克化工儀器有限公司生產(chǎn)。丙酮：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.55%，廣東翁江化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。無水乙醇：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%，江蘇強(qiáng)盛化學(xué)功能股份有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

真空干燥箱（DZF-6050，揚(yáng)州慧科電子有限公司）；接觸角測(cè)定儀（JY-PHb，上海秉精儀器設(shè)備有限公司）；電子單纖維強(qiáng)力機(jī)（YG001A，浙江三工匠儀器有限公司）；萬能材料試驗(yàn)機(jī)（MTS，MTS工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司）；擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（NI500C，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司）；真空輔助成型機(jī)（VARI，上海瀝高科技股份有限公司）；掃描電子顯微鏡（JSM-5610LV，日本電子株式會(huì)社）；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet 5700，美國Thermo Nicolet公司）。

1.3 試樣制備

1.3.1 GF織物改性處理

首先用丙酮溶液浸泡GF織物24 h，除去纖維表面的膠質(zhì)、漿料等雜質(zhì)，再用乙醇溶液清洗，最后用蒸餾水清洗GF織物，并在真空干燥箱中烘干，設(shè)置溫度80 ℃，時(shí)間24 h。將烘干后的GF織物浸泡于摩爾濃度為1、2、3 mol/L的氫氧化鈉溶液中進(jìn)行改性處理，處理時(shí)間為24、48、72、96 h。改性處理后用乙醇溶液和蒸餾水清洗并烘干。

1.3.2 纖維抽拔試樣的制備

圖1為纖維抽拔試樣制備的模具示意及纖維抽拔樣品圖，選取兩塊尺寸均為10 cm×10 cm×0.1 cm的PVC發(fā)泡板，兩塊板對(duì)齊，重疊形成一幅模具。纖維抽拔模具選用PVC發(fā)泡板，具有制作簡(jiǎn)單、易脫模、塑造性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［25］。等距離打10個(gè)小孔，GF整齊排列在兩板之間，（制備單絲抽拔試樣的小圓孔直徑為0.5 mm，纖維束抽拔試樣的小圓孔直徑為1.5 mm）。用針管在小孔中充分注入VER，樹脂與固化劑比例為100∶2，待24 h后樹脂完全固化，從模具中取出試樣。

1.3.3 GF/VER復(fù)合材料的制備

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（溫度為25 ℃，濕度為65%），將經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理前后的GF織物與VER通過真空輔助樹脂灌注成型技術(shù)（Vacuum assisted resin infusion molding technology，VARI）制備出GF/VER復(fù)合材料板。如圖2所示，把所需材料按照?qǐng)D中鋪層順序疊放在密封薄膜中。放置五層GF織物作為復(fù)合材料的基體材料，配置與GF織物重量相同的VER（n（樹脂）：n（固化劑））=100∶2），將配置好的VER在消泡桶中進(jìn)行消泡處理。當(dāng)真空泵工作時(shí)，密封薄膜將會(huì)形成真空狀態(tài)。樹脂會(huì)隨導(dǎo)管被吸入其中，最終固化形成厚度為2 mm的GF/VER復(fù)合材料板。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 GF接觸角測(cè)試

使用接觸角測(cè)定儀對(duì)經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理前后的GF織物進(jìn)行測(cè)試，分析處理前后GF浸潤(rùn)性的變化。

1.4.2 形貌觀察

借助掃描電鏡觀察經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理前后GF表面形貌的變化情況，以及觀察GF/VER復(fù)合材料截面形態(tài)。

1.4.3 FTIR測(cè)試

采用傅里葉變換紅外光譜測(cè)試儀對(duì)經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理前后的GF進(jìn)行測(cè)試，分析處理前后GF的官能團(tuán)和化學(xué)鍵的存在或變化，探究GF與氫氧化鈉的作用原理。

1.4.4 質(zhì)量損耗率測(cè)試

使用電子天平稱量出氫氧化鈉溶液處理前后GF織物的質(zhì)量變化，根據(jù)式（1）計(jì)算出質(zhì)量損耗率：

M/%=［（m1－m2）／m1］×100 （1）

式中：M為質(zhì)量損耗率，%；m1為改性處理前GF織物的質(zhì)量，g；m2為改性處理后GF織物的質(zhì)量，g。

1.4.5 復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試

使用YG001A電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試單絲抽拔試樣的界面剪切強(qiáng)度，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)w維束抽拔試樣的界面剪切強(qiáng)度。加載速度為1 mm/min。根據(jù)式（2）計(jì)算剪切強(qiáng)度［26］：

τ=F／πdL（2）

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；F為纖維從樹脂基體中拔出的載荷，N；d為纖維直徑，mm；L為埋入長(zhǎng)度，mm。

1.4.6 力學(xué)性能測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14337—2022《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》使用電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試改性前后GF單絲斷裂強(qiáng)度，加載速度為5 mm/min。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7690.3—2013《增強(qiáng)材料 紗線試驗(yàn)方法 第3部分：玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試改性前后GF纖維束斷裂強(qiáng)度，加載速度為200 mm/min。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試改性前后GF/VER復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，加載速度為5 mm/min。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1043.1—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》，使用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試改性前后GF/VER復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，撞擊瞬時(shí)速度為5 m/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF浸潤(rùn)性的影響

由表1可知，未經(jīng)氫氧化鈉處理的GF接觸角相對(duì)最大，浸潤(rùn)性較差。隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，GF的接觸角逐漸變小，浸潤(rùn)性逐漸提高。

2.2 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF表面形貌的影響

圖3所示為氫氧化鈉溶液處理前后對(duì)GF形貌的影響。由圖3（a）可知，未經(jīng)氫氧化鈉溶液處理的GF表面十分光滑，幾乎沒有雜質(zhì)與溝壑。由圖3（b）可知，經(jīng)濃度為1 mol/L的氫氧化鈉溶液處理24 h后的GF表面出現(xiàn)了部分凸點(diǎn)。根據(jù)圖3（b）—（m），可以發(fā)現(xiàn)隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，GF表面的凸點(diǎn)與凸起豎條逐漸增多，可以看出GF表面變得粗糙。從圖3（g）中看出，氫氧化鈉溶液濃度為2 mol/L，處理時(shí)間為48 h時(shí)，GF表面凸點(diǎn)和凸起豎條相對(duì)最明顯，纖維表面粗糙程度相對(duì)較大。由圖3（m）可得當(dāng)氫氧化鈉溶液濃度達(dá)到3 mol/L，處理時(shí)間達(dá)到96 h時(shí)，GF表面出現(xiàn)溝壑，推斷出纖維受到損傷破壞。

2.3 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF化學(xué)鍵及官能團(tuán)的影響

圖4為氫氧化鈉溶液處理前后GF紅外光譜曲線，其中波數(shù)為1020 cm-1處有一個(gè)明顯的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰為Si-O-Si，推斷為GF的主體結(jié)構(gòu)SiO2。波數(shù)為485 cm-1處有一個(gè)對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰為Si-O鍵，GF經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理前

后，Si-O鍵峰值波動(dòng)較小。波數(shù)為3440 cm-1處的較寬的峰是結(jié)構(gòu)水-OH反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，氫氧化鈉溶液接枝到GF上的羥基的峰越來越明顯。說明GF表面的羥基活性基團(tuán)增多，使得GF與樹脂的界面會(huì)產(chǎn)生范德華力，對(duì)于界面抗應(yīng)力集中、防止裂紋擴(kuò)散和抵抗環(huán)境影響起到了很大的作用。

2.4 氫氧化鈉溶液與GF的作用原理

本文采用的GF為E無堿型GF，因?yàn)闊o堿GF的耐堿性要低于中堿型和耐堿型GF，相比之下容易與氫氧化鈉溶液進(jìn)行反應(yīng)。E無堿型GF主體結(jié)構(gòu)主要是SiO2，按含量多少依次是CaO、Al2O、B2O3。該種GF與氫氧化鈉反應(yīng)的過程如下：

反應(yīng)式（3）是GF網(wǎng)絡(luò)外的鈣離子與水反應(yīng)之后再產(chǎn)生擴(kuò)散作用。反應(yīng)式（4）是GF中的主體結(jié)構(gòu)SiO2、Al2O3、B2O3與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)生成了［（B2O3，Al2O3，SiO2）（OH）2］2-。反應(yīng)式（5）是［（B2O3，Al2O3，SiO2）（OH）2］2-與擴(kuò)散的鈣離子反應(yīng)產(chǎn)生凝膠，且溶解度小，反應(yīng)會(huì)一直正向進(jìn)行，直至鈣離子被消耗完為止［27］。結(jié)合圖3氫氧化鈉溶液處理前后對(duì)GF形貌的影響，推理出GF與氫氧化鈉反應(yīng)后，GF表面形成的凸點(diǎn)為Ca（B2O3，Al2O3，SiO2）（OH）2凝膠。圖5為改性GF與VER間結(jié)合力示意，纖維表面凸點(diǎn)與樹脂會(huì)產(chǎn)生鉚合連接作用。同時(shí)GF表面接枝的羥基會(huì)與VER帶有的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)從而產(chǎn)生化學(xué)鍵合。在復(fù)合材料固化過程中，改性后的纖維與樹脂之間會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的分子糾纏，由于反應(yīng)發(fā)生在界面，很難用直觀的方法定性定量分析。

2.5 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF質(zhì)量損耗率與斷裂強(qiáng)度的影響

氫氧化鈉溶液處理后GF織物質(zhì)量損耗率如表2所示，由表2可知，隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，GF織物的質(zhì)量損耗率逐漸增加。

如圖6所示為氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF斷裂強(qiáng)度的影響，分析可得：經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理后，GF單絲和纖維束的斷裂強(qiáng)度變化呈現(xiàn)相似的下降趨勢(shì)。結(jié)合表2氫氧化鈉溶液處理后織物質(zhì)量損耗率，可知GF與氫氧化鈉反應(yīng)，氫氧化鈉濃度較低，處理時(shí)間較短時(shí)，質(zhì)量損耗率變化較小，相應(yīng)的GF斷裂強(qiáng)度變化較小。隨著氫氧化鈉溶液濃度的增大以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，GF質(zhì)量損耗率逐漸增加，斷裂強(qiáng)度也逐漸變小。

2.6 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF界面剪切強(qiáng)度的影響

如圖7所示為氫氧化鈉溶液處理對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響，隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)，纖維界面剪切強(qiáng)度逐漸增加，增加到一定值后逐漸下降。在氫氧化鈉溶液濃度為2 mol/L，處理時(shí)間為48 h時(shí)，單絲與纖維束的界面剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最大值5.00、29.04 MPa。結(jié)合圖3氫氧化鈉溶液處理前后對(duì)GF形貌的影響，可知隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，纖維表面粗糙程度增加，改善了纖維與樹脂之間的粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)纖維受到抽拔載荷的時(shí)候，由于纖維與樹脂的鉚合連接以及范德華力作用，使得纖維不易從樹脂中抽拔出。

2.7 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF/VER復(fù)合材料截面形態(tài)的影響

圖8所示為GF/VER復(fù)合材料的截面SEM照片，由圖8（a）可知，未經(jīng)改性處理的GF與VER制成復(fù)合材料時(shí)，纖維表面光滑，復(fù)合材料的界面粘結(jié)效果較差。根據(jù)圖8（b）—（m），可以看出經(jīng)改性處理后，隨著氫氧化鈉溶液濃度的增大與處理時(shí)間的增長(zhǎng)，GF表面變得粗糙，且粗糙程度逐漸增加。由于纖維物理吸附作用與化學(xué)結(jié)合作用，改善了GF與VER之間的界面結(jié)合效果。由圖8（g）可得，在氫氧化鈉濃度達(dá)到2 mol/L，處理時(shí)間為48 h時(shí)，纖維與樹脂之間的結(jié)合效果相對(duì)最好，鉚合連接作用相對(duì)最強(qiáng)。

2.8 氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF/VER復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖9所示為氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF/VER復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加以及處理時(shí)間的增長(zhǎng)，彎曲強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度逐漸增加，增加到一定臨界點(diǎn)后再逐漸下降。結(jié)合圖6氫氧化鈉溶液處理對(duì)GF斷裂強(qiáng)度的影響，可知GF經(jīng)過氫氧化鈉處理后，纖維力學(xué)性能會(huì)受到損傷。因此GF/VER復(fù)合材料的力學(xué)性能也會(huì)受到影響。在氫氧化鈉溶液濃度達(dá)到2 mol/L，處理時(shí)間為48 h時(shí)，GF力學(xué)性能受損相對(duì)較小。結(jié)合圖8 GF/VER復(fù)合材料截面SEM照片可知，在氫氧化鈉溶液濃度較小，處理時(shí)間較短時(shí)，纖維與樹脂結(jié)合不夠緊密，使得復(fù)合材料受到載荷時(shí)，GF容易從樹脂中滑出。在氫氧化鈉溶液濃度為2 mol/L，處理時(shí)間為48 h時(shí)，纖維與樹脂之間的結(jié)合效果最好，復(fù)合材料受到載荷時(shí)纖維不易從樹脂中滑脫。在此改性條件下的GF/VER復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到峰值346.72 MPa，抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到峰值158 kJ/m 相比改性前分別提升了20.96%、25.40%。

3 結(jié) 論

通過研究不同摩爾濃度以及不同處理時(shí)間的氫氧化鈉改性對(duì)GF/VER復(fù)合材料界面及力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：

a）經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理后的GF浸潤(rùn)性得到改善，表面變得粗糙，表面活性基團(tuán)增多，GF與VER間物理化學(xué)協(xié)同作用，使得界面粘結(jié)效果得到改善。

b）經(jīng)過氫氧化鈉溶液（摩爾濃度為2 mol/L，處理時(shí)間為48 h）改性后的GF/VER復(fù)合材料界面性能提高：?jiǎn)谓z界面剪切強(qiáng)度達(dá)到了5.00 MPa，纖維束界面剪切強(qiáng)度達(dá)到了29.04 MPa，相比改性前的原樣分別提升了25.31%、27.48%。

c）經(jīng)過氫氧化鈉溶液（摩爾濃度為2 mol/L，處理時(shí)間為48h）改性后的GF/VER復(fù)合材料力學(xué)性能提高：彎曲強(qiáng)度達(dá)到346.72 MPa，抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到158 kJ/m 相比改性前的原樣分別提升了20.96%、25.40%。

參考文獻(xiàn)：

［1］田宏飛，李蓓智，龔菊賢，等.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削工藝實(shí)驗(yàn)研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2019（4）：129-132.

TIAN Hongfei， LI Beizhi， GONG Juxian， et al. Experi-mental study on milling process of glass fiber reinforced composites［J］. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique， 2019（4）： 129-132.

［2］RONZHIN N O， POSOKHINA E D， MIKHLINA E V， et al. A new composite material based on alumina nanofibers and detonation nanodiamonds： Synthesis， characterization， and sensing application［J］. Journal of Nanoparticle Research， 2021， 23（9）： 199.

［3］LIU L， JIA C Y， HE J M， et al. Interfacial characteri-zation， control and modification of carbon fiber reinforced polymer composites［J］. Composites Science and Technology， 2015， 121： 56-72.

［4］BNTHUILIRE T， DUCHET-RUMEAU J， DUBOST E， et al. Vinylester/glass fiber interface： Still a key component for designing new styrene-free SMC composite materials［J］. Composites Science and Technology， 2020， 190： 108037.

［5］牛忠旺，曹麗麗，李其朋.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀［J］.塑料工業(yè)，2021，49（S1）：9-17.

NIU Zhongwang， CAO Lili， LI Qipeng. Application and research status of glass fiber reinforced composites［J］. China Plastics Industry， 2021， 49（S1）： 9-17.

［6］TIAN J， XU T， ZHANG Z W， et al. Study on the construction of polyethyleneimine/nano-silica multilayer film on the carbon fiber surfaces to improve the interfacial properties of carbon fiber/epoxy composites［J］. Composite Interfaces， 2022， 29（4）： 361-381.

［7］解玉潔，張曉穎，吳智仁，等.改性玄武巖纖維制備及其在微生物載體的應(yīng)用［J］.合成纖維，2019，48（3）：19-22.

XIE Yujie， ZHANG Xiaoying， WU Zhiren， et al. The preparation of modified basalt fiber and its utilization on microorganism carrier media［J］. Synthetic Fiber in China， 2019， 48（3）： 19-22.

［8］PENG G F， ZHANG G， LEI Z H， et al. Verification of mechanism for effect of silane coupling agent modification of polyethylene （PE） fiber's surface on strain-hardening behavior of high-strength cementitious composites［J］. Journal of Building Engineering， 2023， 67： 105870.

［9］FU Y P， LI H X， CAO W Y. Enhancing the interfacial properties of high-modulus carbon fiber reinforced polymer matrix composites via electrochemical surface oxidation and grafting［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2020， 130： 105719.

［10］CHEN Y Z， XU D W， QIU H F， et al. Improvement of the interfacial properties of PBO/Epoxy composites by online continuous plasma grafting with polyurethane［J］. Progress in Organic Coatings， 2020， 143： 105610.

［11］孫文強(qiáng)，曾輝，牛蘭剛，等.耐高溫復(fù)合材料用玻璃纖維表面處理研究（1）：酸堿刻蝕處理的研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2000（1）：33-35.

SUN Wenqiang， ZENG Hui， NIU Langang， et al. Study on the surface treatment of glass fiber for high performance composites（1）： Acid and alkali etching treatment［J］. FRP/CM， 2000（1）： 33-35.

［12］劉龍，梁森，周越松，等.改性芳綸纖維橡膠基復(fù)合材料抗沖擊性能研究［J］.化工新型材料，2022，50（7）：73-77.

LIU Long， LIANG Sen， ZHOU Yuesong， et al. Study on impact resistance of modified aramid fiber rubber matrix composites［J］. New Chemical Materials， 2022， 50（7）： 73-77.

［13］曹海琳，張春紅，張志謙，等.玄武巖纖維表面涂層改性研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2007，27（5）：77-82.

CAO Hailin， ZHANG Chunhong， ZHANG Zhiqian， et al. Study on size modification of basalt fibers［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2007， 27（5）： 77-82.

［14］LI Y H， LIU H， BAI Q S， et al. Atomistic investigation on interfacial properties of glass surfaces modeling plasma modification and the influence of wettability conditions on adhesion［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2023， 122： 103330.

［15］夏禮棟，張琦，高達(dá)利，等.聚酰胺/碳纖維復(fù)合材料中纖維表面改性研究進(jìn)展［J］.合成樹脂及塑料，2022，39（1）：73-78.

XIA Lidong， ZHANG Qi， GAO Dali， et al. Advances in fiber surface modification in polyamide/carbon fiber composites［J］. China Synthetic Resin and Plastics， 2022， 39（1）： 73-78.

［16］李露露，韓立新，王爽芳，等.超高分子量聚乙烯纖維表面改性及其界面性能研究進(jìn)展［J］.功能材料，2022，53（4）：4088-4096.

LI Lulu， HAN Lixin， WANG Shuangfang， et al. Advances in surface modification of UHMWPE fibers and their interfacial properties［J］. Journal of Functional Materials， 2022， 53（4）： 4088-4096.

［17］呂婷婷，呂麗華.玄武巖纖維界面改性研究進(jìn)展［J］.棉紡織技術(shù)，2020，48（12）：76-79.

LU Tingting， LU Lihua. Research progress on interfacial modification of basalt fibers［J］. Cotton Textile Technology， 2020， 48（12）： 76-79.

［18］李虎，范王騰飛，王敏涓，等.SiCf/TC17復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試與有限元分析［J］.材料工程，2021，49（1）：160-167.

LI Hu， FAN Wangtengfei， WANG Minjuan， et al. Interfacial shear strength testing and finite element analysis of SiCf/TC17 composites［J］. Journal of Materials Engineering， 2021， 49（1）： 160-167.

［19］SHIN P S， KIM J H， PARK H S， et al. Advanced inter-facial properties of glass fiber/dopamine-epoxy composites using a microdroplet pull-out test and acoustic emission［J］. The Journal of Adhesion， 2021， 97（5）： 438-455.

［20］RAMANATHAN T， BISMARCK A， SCHULZ E， et al. Investigation of the influence of acidic and basic surface groups on carbon fibres on the interfacial shear strength in an epoxy matrix by means of single-fibre pull-out test［J］. Composites Science and Technology， 2001， 61（4）： 599-605.

［21］陳平，陸春，于祺，等.纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料界面研究進(jìn)展［J］.材料科學(xué)與工藝，2007，15（5）：665-669.

CHEN Ping， LU Chun， YU Qi， et al. Advances in interfacial research of fiber-reinforced thermoplastic resin matrix composites［J］. Materials Science and Technology， 2007， 15（5）： 665-669.

［22］李琴梅，魏曉曉，郭霞，等.高性能與功能化高分子材料的表征技術(shù)及其特點(diǎn)［J］.分析儀器，2020（4）：1-9.

LI Qinmei， WEI Xiaoxiao， GUO Xia， et al. Characteri-zation techniques and characteristics of high performance and functionalized polymer materials［J］. Analytical Instruments， 2020（4）： 1-9.

［23］王恒武，王繼輝，朱京楊，等.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法探討［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2003（3）：42-45.

WANG Hengwu， WANG Jihui， ZHU Jingyang， et al. Exploration of interfacial bond strength test method for fiber reinforced resin matrix composites［J］. FRP/CM， 2003（3）： 42-45.

［24］程海霞，孫寶忠.溫度對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的影響［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，42（3）：318-322.

CHENG Haixia， SUN Baozhong. Effect of temperature on the interfacial properties of carbon fiber/epoxy resin composites［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2016， 42（3）： 318-322.

［25］高冬，朱駿峰，王洪廷，等.PVC木塑復(fù)合發(fā)泡板改性研究［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2013，25（5）：27-30.

GAO Dong， ZHU Junfeng， WANG Hongting， et al. Study on the modification of PVC wood-plastic composite foam board［J］. Modern Plastics Processing and Applications， 2013， 25（5）： 27-30.

［26］TANAKA K， MINOSHIMA K， GRELA W， et al. Charac-terization of the aramid/epoxy interfacial properties by means of pull-out test and influence of water absorption［J］. Composites Science and Technology， 2002， 62（16）： 2169-2177.

［27］葛敦世.玻璃纖維堿侵蝕機(jī)理和耐堿性的探討［J］.玻璃纖維，2007（1）：1-9.

GE Dunshi. Exploration of alkali erosion mechanism and alkali resistance of glass fibers［J］. Fiber Glass， 2007（1）： 1-9.

Effect of sodium hydroxide treatment on the interface and mechanical properties of GF/VER composites

MING Lin FENG Xuhuang1， SHAO Lingda1， DING Hao1， SUN Zeyu MA Leilei TIAN Wei ZHU Chengyan1，2

Abstract： Fiber-reinforced composites have many advantages， such as good mechanical properties， corrosion resistance， high-temperature resistance， and high moldability. It is the fastest-developing and most widely used class of composite material. The technology of fiber-reinforced composites has gradually matured in all aspects since the 1960s and is one of the new materials focused on research and development worldwide. Fiber-reinforced composites continue to develop toward high performance， multifunctionality， and complexity. To meet this demand for the materials， academics at home and abroad have investigated fiber-reinforced composites in greater depth， and current research primarily focuses on modifying the interfaces of composites. The small size region of the composite interface makes it more difficult for researchers to characterize its chemical structure， physical properties， and mechanical properties. Characterization of interfacial properties is thus also one of the hot spots in academic research. There is still a need to explore and refine the relationship between the microscopic interfacial and macroscopic mechanical properties of composites.

We aimed to modify the glass fiber （GF） surface with a sodium hydroxide solution to improve the interfacial properties between GF and vinyl ester resin （VER）. Glass fibers were soaked in sodium hydroxide solutions at concentrations of 1 mol/L， 2 mol/L， and 3 mol/L for 24 h， 48 h， 72 h， and 96 h. Glass fiber reinforced vinyl ester resin （GF/VER） composites were made by using vacuum-assisted resin infusion molding technique. The interfacial shear strength between the fibers and the resin matrix was investigated by using the characterization method for the interfacial property of fiber extraction. We aim to examine the effect of the modification treatment on the surface morphology and the chemical interaction of the GF by using scanning electron microscopy and infrared spectroscopy. Before and after modification， the GF/VER composites were tested for interfacial shear strength， flexural strength， and impact strength by using a single fiber strength machine， a universal material testing machine， and a pendulum impact testing machine. The effects of sodium hydroxide treatment on the interfacial and mechanical properties of GF/VER composites were investigated. It was found that after modification with a solution of sodium hydroxide （concentration of 2 mol/L， and treatment time of 48 h）， the wettability of GF was improved， the surface became roughened， and the reactive groups on the surface increased. After the modification treatment， the interfacial properties of GF/VER composites were improved. The monofilament interfacial shear strength reached 5.00 MPa， and the fiber bundle interfacial shear strength reached 29.04 MPa， 25.31%， and 27.48% higher than the original samples before modification， respectively. The mechanical properties of the composites were improved， with the bending strength reaching 346.72 MPa and impact strength reaching 158 kJ/m2， which increased by 20.96% and 25.40%， respectively， compared with the initial samples before modification. Thus， it was shown that sodium hydroxide treatment positively improved the bonding strength between the fiber and the resin. These research findings provide a benchmark for modification processing methods for fiber-reinforced composites and ideas for enhancing composites' interfacial and mechanical properties.

Keywords： glass fiber; vinyl ester resin; interfacial modification; mechanical properties; vacuum-assisted resin infusion molding

收稿日期：20230331 網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230607

基金項(xiàng)目：浙江理工大學(xué)湖州研究院項(xiàng)目（2023）

作者簡(jiǎn)介：明琳（1998—），女，貴州遵義人，碩士研究生，主要從事紡織復(fù)合材料方面的研究。

通信作者：祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn