发布时间：2020-04-07所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要为改善自修复材料中微胶囊的分散性及其对复合材料力学性能的影响，采用KH550和KH560偶联剂对微胶囊表面进行改性处理，研究自修复微胶囊在玻璃织物增强复合材料(GFRP)中的分散性及其织物弯曲性能。结果表明，用KH560偶联剂处理后，自修复微胶囊在GFRP的分
摘要为改善自修复材料中微胶囊的分散性及其对复合材料力学性能的影响，采用KH550和KH560偶联剂对微胶囊表面进行改性处理，研究自修复微胶囊在玻璃织物增强复合材料(GFRP)中的分散性及其织物弯曲性能。结果表明，用KH560偶联剂处理后，自修复微胶囊在GFRP的分散性能改善达64.7%，优于KH550偶联剂，但使得制备的GFRP的弯曲强度降低。通过SEM观察发现，偶联剂处理后微胶囊与树脂基体界面良好。
关键词偶联剂;玻璃织物增强复合材料;自修复;微胶囊;分散性;弯曲性
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)目前已经成功应用于建筑的改建、修复和加固¨，但是此材料在长期的使用过程会产生微裂纹，从而缩短材料的使用寿命和抗震安全性。将微胶囊预埋入加固材料中就能实现裂纹的自修复。
微胶囊在自修复材料尚存在分散难的问题，也是制约微胶囊修复材料应用的难点，而且微胶囊的分散性直接关系到自修复材料的修复效率，因此改善微胶囊的分散性十分必要。在文献报道中，多采用机械搅拌和超声波等物理方法改善其分散性J，但是由于胶囊强度所限其分散性能改善程度有限。季小勇等发现用KH560偶联剂处理炭黑表面且经机械搅拌，其制备的环氧树脂件中炭黑会以单颗粒状态存在。李海燕等用KH550偶联剂处理自修复微胶囊壁后，发现微胶囊与树脂的界面黏合力增加，而且硅烷偶联剂能够降低材料的表面能，因此，本文选择KH550和KH560偶联剂对微胶囊表面进行处理，对比探讨处理后微胶囊在GFRP中的分散性和GFRP的弯曲性能，并对微胶囊与纯树脂基体的界面进行分析。本文的研究成果可以为自修复微胶囊在建筑加固领域中的应用提供参考。
1试样制备
1.1原材料
玻璃纤维平纹织物，经纬密为11根/era×12根/cm;面密度为425g/m;厚度为0.65mm。经纱线密度为489tex，纬纱线密度为482tex。
自修复树脂体系：树脂选用环氧E一51(天津乐泰化工连锁超市)，固化剂采用二乙烯三胺DETA(天津市光复精细化工研究所)。树脂配方为m(环氧树脂)：m(固化剂)=100：12。其中所使用的自修复微胶囊为三聚氰胺脲醛(MUF)/亚乙基降冰片烯(ENB)胶囊，其制备方法参考文献[7]。考虑到微胶囊含量对纯树脂件力学性能的影响，取m(微胶囊)：m(环氧树脂)=3：100。所使用的ENB自修复微胶囊表面形貌以及粒径分布见图1。由图可知，微胶囊的直径在50～170m之间，平均直径为111.187p,m。根据TGA测试，自修复微胶囊的最高耐热温度为285℃。
1.2偶联剂处理
1.2.1偶联剂用量计算
偶联剂用量与偶联剂种类和颗粒的比表面积有关，假定硅烷偶联剂以单分子层覆盖在颗粒表面，则偶联剂所需用量为
1.2.2处理方法
在一定量的蒸馏水中加入KH550和KH560偶联剂，配成5%的偶联剂水溶液。然后取一定量的溶液，加入2g微胶囊，使偶联剂与微胶囊质量比为1：2，充分搅拌后静置20min，后用蒸馏水过滤，并于常温下干燥24h。
1.3微胶囊自修复GFRP板的制备
微胶囊自修复GFRP板按手糊法成型。将玻璃纤维平纹织物沿经纱方向裁成150mm×100mm的矩形织物备用，然后将E一51树脂、DETA固化剂与经KH550、KH560偶联剂处理、未处理的微胶囊在300r/min下搅拌15rain，接着放人35℃的真空箱内抽真空15min固化成形后制备成2mm厚的自修复玻璃织物层合板，层合板截面图见图2。
2测试实验及数据处理
织物增强复合材料对}昆凝土柱结构进行加固时主要承受弯曲力作用，并且加固材料的弯曲强度直接关系到被加固混凝土柱的服务寿命，因此对微胶囊GFRP层合板进行弯曲性能测试。参照ASTMD790—1999《未增强和增强塑料以及电绝缘材料弯曲性能测试标准》，试样长为80mm。为保证自修复层合板最外层纤维首先破坏，以减少层间剪切破坏发生的概率，选择跨厚比L/h=40。因其试样厚为2film，因此跨距取80mm，试样宽度为15mm。用Instron3369万能拉伸试验机(美国英斯特朗公司)以加载速度为2mm/min，对GFRP层合板的弯曲性能进行测试，得到弯曲应力与应变曲线。根据得到的弯曲应力与应变曲线得到每个微胶囊自修复GFRP层合板的弯曲强度，再根据弯曲强度的波动范围得到KH550处理和KH560处理的微胶囊件的分散性改善度：
3结果与分析
3.1分散性分析
表1示出经KH550和KH560偶联剂处理后微胶囊质量分数为3%的自修复GFRP层合板的弯曲强度。由于每次合成的微胶囊有限，每组做成的试样个数为5个，但有效试件个数为3。图3示出处理前后GFRP层合板弯曲应力与应变曲线。由图可见，经KH560处理的微胶囊自修复层合板在平均值附近波动较小。KH550处理的最大波动范围为±1.84MPa，KH560处理的最大波动范围为±0.894MPa，未处理的最大波动范围为±2.53MPa。相比未处理的微胶囊GFRP层合板，经KH560处理后其分散性改善度为64.7%，而KH550处理后分散性改善度仅为27.2%。可见，对于偶联剂处理的微胶囊自修复层合板来说，KH560处理的分散改善度较KH550处理要高37.5%，也就是说KH560偶联剂处理方法是实现微胶囊分散的最佳方法。
3.2弯曲性能分析
如图3所示，未处理、KH550处理及KH560处理微胶囊自修复GFRP层合板的弯曲应力与应变曲线形状大致相同，均是第1阶段呈线性增加，第2阶段非线性缓慢增加至最大弯曲应力，第3个阶段随着弯曲应变增加应力降低。在以上3个阶段，微胶囊、树脂以及玻璃织物三相的受力情况为：初始阶段呈现弹性变形，此时最外层含微胶囊树脂承受主要载荷;随着弯曲应变的增加，应力缓慢增加，塑性变形增加，微胶囊、织物和树脂同时承受载荷，微胶囊开始出现破裂且随着应变增加，织物承受的载荷越来越大;当弯曲应力达到最大值时，出现屈服点，塑性变形达到最大，此时自修复层合板并未断裂，能够继续承受载荷;在屈服点后，随着应变增加应力反而下降，这与微胶囊与织物的黏弹性有关。
经KH550、KH560处理及未处理试样，当达到最大弯曲强力时的弯曲应变分别为3.227%、3.214%和3.597%，即微胶囊经偶联剂处理后自修复层合板的弯曲强度下降，其对应的弯曲应变降低。对于KH550和KH560偶联剂处理的微胶囊，其制备的自修复层合板的弯曲应力分别下降16.8%，9.26%，弯曲应变分别下降10.3%，10.65%。偶联剂处理后弯曲应力的降幅较大，且KH560处理较KH550处理降幅要小。偶联剂处理降低了微胶囊自修复层合板的弯曲应力和弯曲应变，这可能是由于偶联剂处理增加了微胶囊与树脂基体的界面脆性，当复合材料承受弯曲力时，产生的裂纹在界面不易传递扩展，容易造成应力集中导致最终整体的微胶囊自修复GFRP层合板的弯曲性能下降。
由图2、3可见，偶联剂的加入提高了微胶囊在基体中分散的均匀性，但使得微胶囊自修复层合板的弯曲强度下降，这可能是由于随微胶囊分散性的提高微胶囊被破坏的概率增加并且填充微胶囊的强度较环氧树脂低所致。但对于KH560处理的微胶囊自修复层合板来说，其分散性的改善程度要明显高于弯曲强度的下降程度，且经KH560处理后弯曲强度较未处理的仅下降9.26%，该强度的下降可以通过降低偶联剂的使用量或改变偶联剂的处理温度来改善。
3.3界面分析
为验证偶联剂处理后微胶囊与环氧树脂基体的界面性质，且避免加入第3项玻璃织物对复合材料层合板的影响，将试件做成长为116mrfl，宽为19mln，最窄处宽为6mill的哑铃型微胶囊纯环氧树脂件后，用Instron万能拉伸试验机将试件拉断，对断面用扫描电镜(KYKY.2500)观察，结果见图4
图4(a)为未处理的微胶囊断面图。微胶囊断面光滑，说明微胶囊壁与环氧树脂界面黏接良好，且在微胶囊断面边缘有弓形裂纹产生，这是微胶囊提高复合材料韧性的原因¨。图4(b)示出经KH550处理的微胶囊被抽拔出来形成的孔洞。微胶囊断面凹凸不平且树脂碎片较多，这是由于微胶囊与树脂界面黏接不牢所致。图4(c)示出经KH560处理的微胶囊树脂件的光滑断面。说明KH560处理后微胶囊与树脂界面黏接好。经KH550和KH560偶联剂处理较未处理件树脂脆片较多且拉伸断面更平整，说明微胶囊经偶联剂处理后制备的自修复树脂件的脆性增加。KH560处理微胶囊与树脂界面较KH550处理要好。经KH560处理的微胶囊自修复环氧树脂件的弹性模量为2.91GPa，拉伸断裂载荷为934N，断裂伸长率为2.259%，其拉伸指标均满足建筑加固中对树脂体系的力学性能要求川]，因此该自修复树脂体系可以用于建筑加固修复领域。
4结论
1)经KH550和KH560处理后的微胶囊在自修复GFRP层合板中的分散性改善度较高，其中KH560处理微胶囊的分散性改善度达到64.7%，但弯曲强度较未处理的下降9.26%。且KH560处理后微胶囊与环氧树脂界面黏合好。
2)KH560偶联剂是用于自修复微胶囊的良好分散剂，该处理引起的微胶囊自修复GFRP层合板弯曲强度下降可通过改变偶联剂用量和处理温度来改善。
3)采用微胶囊修复GFRP可以用于建筑物的加固修复，它是一种新型的不需人工干预就能实现修复的新方法，未来将会在建筑加固领域有良好的应用前景。
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