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第十一章 偶联剂 复合材料定义 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。两相之间存在着相界面。 虽然复合材料的组分材料保持着其相对的独立性，但其性能却不是组分材料性能的简单相加，而是相互“取长补短”，有着协同作用，极大的弥补了单一材料的缺点。在一定程度上讲，它综合了各种材料如纤维，树脂，橡胶，金属，陶瓷等的优点。 复合材料的主要优点 比强度，比模量大（以碳纤维，硼纤维及有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的3－5倍，比模量相当于金属的4倍之多） 耐疲劳性能好（聚合物基复合材料中纤维与基体的界面有能阻止材料受力所致的裂纹扩展的效果） 减震性好（一是由于其具有高的自振频率，二是由于复合材料的界面具有吸振能力，使材料的震动阻尼很高） 过载时安全性好（当过载时，一部分纤维断裂，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上） 有很好的加工工艺性（有多种加工工艺如手糊成型，模压成型，挤拉成型等） 复合材料的分类 按基体材料分主要有: 聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料（包括陶瓷基和水泥基 复合材料的分类 按增强纤维种类分主要有 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料（包括芳香族聚酰胺纤维，芳香族聚酯纤维和高强度聚烯纤维等） 金属纤维 陶瓷纤维 聚合物基体的作用 把增强纤维粘在一起 分配增强纤维间的载荷 保护增强纤维不受环境的影响 聚合物基体 常用作基体的聚合物 不饱和聚酯树脂， 环氧树脂， 酚醛树脂 耐高温树脂 热塑性聚合物 辅助材料：固化剂，增韧剂，稀释剂，催化剂等 复合材料的界面 复合材料界面的重要性 复合材料界面的理论 复合材料界面的表征 纤维表面处理 预处理法：先用硅烷偶联剂对无机填料进行表面处理，然后再加入到聚合物中。 （1）干式处理：是在高速搅拌机中，首先加入无机填料，在搅拌的同时将预先配制的硅烷偶联剂慢慢加入，并均匀分散在填料表面进行处理。 （2）湿式处理：则是在填料的制作过程中，用硅烷偶联剂处理液进行浸渍或将硅烷偶联剂添加到填料的浆液中，然后再进行干燥。 整体掺合法：即将硅烷偶联剂掺入无机填料和聚合物中，并且一步完成配料。 　　 由于实际使用中真正起到偶联作用的是很少的偶联剂所形成的单分子层，因此过多地添加硅烷偶联剂是不必要的。硅烷偶联剂的使用量与其种类以及填料的表面积有关。 当填料面积不确定时，偶联剂的用量可以确定为填料的1%左右。 A 不饱和聚酯：最好选择含甲基丙烯酸酯的硅烷。 B 环氧树脂：大多数的含有机官能团的硅烷 C 酚醛树脂：多数偶联剂都适用 D 特种胶底：利用偶联剂来提高无机物和有机聚合物表面的黏结 硅烷偶联剂在改善和提高聚合物尤其是工程塑料优良的机械性能方面发挥了重要的作用。 使用原则 （1）不要另外再添加表面活性剂，因为它会干扰钛酸酯在填料表面上的反应。 （2）氧化锌和硬酯酸具有某种程度的表面活性剂作用，故应在钛酸酯处理过的填料、聚合物以及增塑剂充分混合后再添加它们。 （3）大多数钛酸酯具有酯基转移反应活性，所以会不同程度地与酯类或聚酯类增塑剂反应，因此酯类增塑剂一般在混炼后再掺和。 （4）钛酸酯及硅烷并用，有时会产生加和增效作用。 （5）用螯合型钛酸酯处理已浸渍国硅烷的玻璃纤维，可以产生双层护套的作用。 （6）单烷氧基钛酸酯用于经干燥和锻烧处理过的无机填料，效果最好。 （7）空气潮气（0.1～3%）的存在，能形成极佳的反应位置，而不会产生有害的影响，如像Al2O3·3H2O中的结晶小，对偶联剂也是有用的反应位置。 钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂的比较 偶联剂的作用机理 化学键合理论：该理论认为偶联剂含有一种化学官能团，能与玻璃纤维表面的硅醇基团或其他无机填料表面的分子作用形成共价键；此外，偶联剂还含有至少一种别的不同的官能团与聚合分子聚合，以获得良好的界面结合，偶联剂就起着在无机相与有机相之间相互连接的桥梁似的作用。 可变形层理论：为了缓和复合材料冷却时由于树脂和填料之间热收缩率的不同而产生的界面应力，就希望与处理过的无机物邻接的树脂界面是一个揉曲性的可变形相，这样复合材料的韧性最大。偶联剂处理过的无机物表面可能会择优吸收树脂中的某一配合剂，相间区域的不均衡固化，可能导致一个比偶联剂在聚合物与填料之间的多分子层厚得多的挠性树脂层，这一层就被称之为可变形层。该层能松弛界面应力，阻止界面裂缝的扩展，因而改善了界面的结合强度，提高了复合材料的机械性能。 约束层理论 与可变形层理论相对，约束层理论认为在无机填料