硅烷偶联剂改性BF/VE复合材料的耐腐蚀老化性能研究

作     者：骆宣耀 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：祝成炎

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：玄武岩纤维 复合材料 硅烷偶联剂改性 环境腐蚀老化 弯曲强度 冲击强度 

摘      要：纤维增强树脂基复合材料具有高轴向比强度、比模量、重量轻、可设计性强等特点,使其成为海洋资源开发和海洋工程建设中不可或缺的重要材料。然而,复合材料在海洋环境中,不可避免地会被酸、碱、海水等腐蚀老化,复合材料在腐蚀老化环境中长期使用会导致其力学性能下降,这会严重影响复合材料的正常使用。本课题研究了玄武岩纤维增强乙烯基酯树脂(BF/VE)复合材料在水、海水、高浓度海水、酸和碱环境下弯曲性能与冲击性能的变化,不仅可以预测复合材料在各环境中的使用寿命,还可以为开发耐腐蚀老化性能的复合材料提供理论支持。本课题首先采用不同质量分数的硅烷偶联剂KH550、KH560和A171对BF进行改性,并以改性前后的BF作为增强体、VE为基体,采用模压成型工艺制备BF/VE复合材料。研究不同种类、不同质量分数的硅烷偶联剂改性对复合材料力学性能的影响并分析其改性作用机制。其次,将复合材料浸泡在20°C、40°C和60°C的水、3.5%Na Cl海水、10%Na Cl高浓度海水、10%HSO酸和10%Na OH碱等5种腐蚀老化环境中浸泡56天,研究硅烷偶联剂改性、浸泡环境、浸泡时间、浸泡温度对复合材料力学性能的影响并分析其腐蚀老化作用机制。得出了以下结论:(1)经质量分数为1%的硅烷偶联剂KH550、KH560和A171改性后的BF和VE的界面结合最好,BF/VE复合材料的界面结合性能得到提升,经改性后的复合材料相比于未改性的复合材料弯曲强度分别提高了16.71%、14.96%和13.59%;冲击强度分别提高了10.13%、8.84%和7.41%。(2)BF/VE复合材料在不同腐蚀老化环境浸泡后,其外观色泽也会发生不同的变化。复合材料在经过水、3.5%Nacl海水、10%Na Cl高浓度海水环境浸泡后,其外观色泽变化不大,而经过10%HSO酸和10%Na OH碱环境浸泡后,其外观色泽出现较大变化。同时,复合材料的外观色泽受环境温度和浸泡时间的影响较大,在60℃的酸和碱环境浸泡56天后,其表面出现大量白斑。(3)BF/VE复合材料的质量损失率随浸泡时间逐渐上升,损失速率随浸泡时间逐渐降低。随着浸泡环境温度的上升,复合材料的质量损失率及其速率明显提高。复合材料在10%Na OH碱环境中的质量损失最为明显,根据“10度定律:环境温度每增加10度,复合材料的腐蚀老化时间大约增加一倍。在60℃碱环境浸泡56天后,相当于在20°C环境中浸泡896天后,未改性和经KH550、KH560和A171硅烷偶联剂改性的复合材料质量损失率分别为4.825%、3.841%、4.067%和4.285%。(4)BF/VE复合材料在腐蚀老化环境浸泡后,其弯曲强度和冲击强度随着浸泡时间的延长呈现下降趋势。复合材料在浸泡初期,弯曲强度和冲击强度的下降速率较快,下降速率随浸泡时间的延长基本呈减小趋势,在浸泡后期,弯曲强度和冲击强度的下降速率趋于平缓。环境温度升高会大幅提高复合材料的受腐蚀老化程度。当环境温度升高后,复合材料的弯曲强度和冲击强度显著降低,温度上升会加快复合材料的力学性能退化。(5)BF/VE复合材料在10%Na OH碱环境浸泡后,其弯曲强度和冲击强度的下降程度在所有腐蚀老化环境中最为明显。未改性和经KH550、KH560和A171硅烷偶联剂改性的复合材料在60℃的碱环境浸泡56天后,相当于在20°C环境中浸泡896天后,弯曲强度分别下降了69.24%、50.34%、55.95%和61.28%,冲击强度分别下降了56.57%、41.35%、45.88%和50.12%,其次是60℃的10%HSO酸环境,弯曲强度分别下降了46.34%、34.25%、37.86%和41.29%,冲击强度分别下降了38.18%、28.33%、31.20%和33.98%。复合材料在海水环境浸泡后,弯曲强度和冲击强度的保持率与水环境浸泡后相差不大,说明复合材料有着较好的耐海水腐蚀老化性能。硅烷偶联剂改性通过增强复合材料的界面结合性能,提升了复合材料的弯曲强度和冲击强度,并延缓了复合材料在腐蚀老化环境中的力学性能退化。综合考虑实验结果,3种硅烷偶联剂对BF/VE复合材料的耐腐蚀老化性能的改性效果顺序为KH550KH560A171。