CN106501174A - Rfl表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，配置RFL浸渍溶液后在矩形模具内制成RFL胶膜并在其内平行埋入多根芳纶纤维单丝制成RFL胶膜试样，RFL浸渍溶液表面处理的若干根芳纶纤维单丝均匀地平行排布在两片橡胶基体薄片之间，制成复合材料试样；分别将RFL胶膜试样和复合材料试样在拉伸载荷试验机上将其拉断，采用分离观测法测试芳纶纤维断裂长度，计算获得双界面剪切强度。本发明方法通过不同的试样分别测试得到不同界面剪切强度，并通过多丝试样解决单根纤维自身缺陷和制备工艺所产生的试验误差。

Description

RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试 方法

技术领域

本发明涉及一种芳纶纤维橡胶复合材料的剪切强度测试方法，特别是涉及一种RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法。

背景技术

短纤维增强橡胶复合材料是一种新型结构材料，具有比强度高、比刚度大以及性能可设计等优点，已在石油化工、航空航天、电子电气、核工业和汽车工业等行业得到广泛应用。研究表明，纤维增强复合材料性能的优劣主要取决于纤维和基体间界面的力学性能，通过界面设计，可有效提高材料的整体力学性能。复合材料的界面性能表征是复合材料研究的热点与难点之一，其界面剪切强度的试验方法主要有单纤维拉出试验、微滴包埋纤维拉出试验、单纤维断裂试验和纤维压出试验。

单纤维拉出试验与微滴包埋纤维拉出试验能直接测得界面脱粘的临界载荷，适用于各种纤维与基体的组合体系。但此试验又存在不足：界面脱粘的临界载荷是纤维埋置长度的函数，而纤维与基体结合处新界面的存在使纤维埋置长度测量的不准以及角度控制的不一致性，将给试验结果带来很大的离散性；小尺寸微滴使得脱粘过程难以观察到，只能使用实验室制作的复合材料试样，具有一定局限性。

纤维压出试验适用于实际复合材料界面强度的测试，能够得到近乎实际受载状态的界面参数，并且数据采集方便。但该试验不能准确判断界面脱粘时的临界载荷，不易观察界面脱粘后的破坏模式，试验前对试件的表面处理可能引起界面损伤。

单纤维断裂试验是研究最多的实验，试样结构如图1所示。由于该试验的外在影响因素少，试验结果可以进行统计性分析。但该试验的试样制作要求比其它试验的严格，主要表现为该试验要求基体100的极限应变至少是纤维101的3倍，并且要求基体100具有很好的断裂韧性以免纤维101断裂诱发基体断裂，从而导致试验失败。

上述基于单纤维制作的试样试验测试结果波动较大，而且当纤维经表面处理后的复合材料形成了纤维、界面相和基体三种组分，存在着双界面(纤维/界面相界面、基体/界面相界面)。单一的界面剪切强度已不能代表经表面处理后纤维增强复合材料的实际情况。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，解决单纤维断裂试验测试结果波动大，难以准确表征复合材料界面剪切强度的问题。

本发明的技术方案是这样的：一种RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，包括，

步骤1、配置RFL浸渍溶液：将间苯二酚溶液加入到NaOH溶液中，搅拌使其分散均匀，按间苯二酚与甲醛摩尔比0.5～1添加甲醛溶液制成RF溶液，RF溶液在25℃的恒温标准水浴中熟化4～6小时后加入到丁吡胶乳混合液中形成RFL浸渍溶液，其中间苯二酚与甲醛质量总和占丁吡胶乳质量比为15～20％；

步骤2、步骤1获得的RFL浸渍溶液在常温下熟化20小时以上后，均匀平铺在矩形模具基板上，然后将若干根芳纶纤维单丝在环氧树脂水溶液中预浸渍，烘干后平行埋入RFL浸渍溶液中并放置在室温条件下自然干燥，当RFL浸渍溶液形成膜状后，将其放入温度为130℃的干燥箱里进行硫化5min，取出后从模具分离剪裁制成RFL胶膜试样；

步骤3、取不少于5个步骤2所得试样，在拉伸载荷试验机上将其拉断，溶于有机溶剂中，采用分离观测法测试芳纶纤维断裂长度；

步骤4、按橡胶的模压工艺制备出未硫化的橡胶基体薄片，将经过步骤1所述的RFL浸渍溶液表面处理的若干根芳纶纤维单丝均匀地平行排布在两片橡胶基体薄片之间，然后将其放入平板硫化机中进行硫化，制备得到含多根芳纶纤维的复合材料试样；

步骤5、取不少于5个步骤4所得试样，在拉伸载荷试验机上将其拉断，溶于有机溶剂中，采用分离观测法测试芳纶纤维断裂长度；

步骤6、根据步骤3和步骤5测得的芳纶纤维断裂长度分别计算对应界面剪切强度；

其中，所述R为间苯二酚，F为甲醛，L为丁吡胶乳。

优选的，所述步骤1制备RF溶液时，间苯二酚与甲醛摩尔比0.5～1。

优选的，所述步骤1制备RFL浸渍溶液时，间苯二酚与甲醛质量总和占丁吡胶乳质量比为15～20％。

优选的，所述步骤6，所述界面剪切强度τ由以下公式获得：

τ＝σ_sD_f/(2L_c)

其中σ_s为纤维强度，D_f为纤维直径，L_c为纤维的临界长度，所述纤维临界长度由下式获得：

其中L_avg为纤维断裂平均长度，L_i为每根纤维断裂长度，n为统计的纤维断裂数目。

优选的，所述RFL浸渍溶液形成膜状的厚度为0.1～0.3mm。

本发明所提供的技术方案的优点在于，与单纤维断裂试验相比，可以解决单根纤维自身缺陷和制备工艺所产生的试验误差。而且，传统的试验只考虑纤维与基体之间的界面剪切强度，本试验考虑了纤维与基体之间的界面相组分。试验过程中配制了芳纶纤维的表面处理剂(RFL溶液)，并将其制成RFL胶膜(看作界面相)，把未经表面处理的多根芳纶纤维埋入RFL胶膜中，测得了纤维与界面相之间的剪切强度。而后，把经过RFL表面处理的多根芳纶纤维埋入橡胶基体中，测得了界面相与橡胶基体之间的剪切强度。通过此试验方法，可以很好地测量复合材料的双界面剪切强度，减少试验测试结果的波动，为复合材料微观力学行为的研究提供关键的技术。

附图说明

图1为单纤维断裂试验试样结构示意图。

图2为三相两界面结构示意图。

图3为本发明测试方法多纤维RFL胶膜试样结构示意图。

图4为本发明测试方法多纤维橡胶复合试样结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图2所示，当纤维经表面处理后的复合材料形成了纤维201、界面相202和基体200三种组分，存在着纤维/界面相界面204和基体/界面相界面203的双界面，本发明方法就是为了准确测得两个界面的剪切强度而进行的。

实施例1

1.RFL浸渍溶液配制

配制浓度为10％的NaOH溶液。称取适量的间苯二酚(R)溶于定量的蒸馏水中，搅拌均匀。将间苯二酚溶液加入到NaOH溶液中，搅拌5分钟使其分散均匀。将甲醛(F)溶液添加到上述已配制的溶液中，形成的间苯二酚-甲醛(RF)溶液需要在25℃的恒温标准水浴中熟化4～6小时。溶液配置时，间苯二酚与甲醛之间的摩尔比为0.5～1，本次试验所选取的RF溶液中，R/F摩尔比为0.5。

将配制的RF溶液加入到丁吡胶乳混合液(L)中形成RFL浸渍溶液，最终生成的树脂胶乳混合溶液称为RFL浸渍溶液，形成的RFL浸渍溶液在常温下熟化24小时后使用。为了获得最大的粘合性能，RF树脂占胶乳的质量比为15～20％。下表为本次试验所选取的RFL浸渍溶液的配方。

2.RFL胶膜的制备

采用20cm×15cm的长方形玻璃板做模具。将适量的RFL浸渍溶液均匀地浇注于玻璃模具中，放置在室温条件下自然干燥。当RFL浸渍溶液形成膜状后，将胶膜放入温度为130℃的干燥箱里硫化5min。取出放置48小时后，将胶膜从模具中取出。为保证每次制得同一厚度的胶膜，浇注前应称取等量的浸渍溶液，胶膜的厚度范围可为0.1～0.3mm。本次试验所选取的RFL胶膜试样厚度为0.2mm。

3.纤维与RFL胶膜界面剪切强度测量

(1)芳纶纤维埋入RFL胶膜试样制备

制备多根芳纶纤维埋入RFL胶膜试样，其结构如图3所示。本实验中芳纶纤维301极限应变的测量值为2.4％，RFL胶膜300的极限应变的测量值为18.5％，RFL胶膜300的极限应变为芳纶纤维301的8倍。

制备方法如下：首先将RFL浸渍溶液均匀平铺在玻璃板上，然后将芳纶纤维在环氧树脂水溶液中预浸渍，烘干后缠绕于自制的纤维固定架上，将其埋入RFL浸渍溶液中。放置在室温条件下自然干燥，当RFL浸渍溶液形成膜状后，将玻璃模具连同放入温度为130℃的干燥箱里进行硫化5min。取出放置48小时后，用刀片沿四周划缝，将RFL胶膜从玻璃板上分离，对试样进行裁剪。重复5次得到5个RFL胶膜试样，并在拉伸载荷试验机上将其拉断。

(2)芳纶纤维埋入RFL胶膜试样测试

将5个断裂后试样溶于有机溶剂中，采用分离观测法测试RFL胶膜试样中的芳纶纤维断裂长度。采用甲苯等有机溶剂对芳纶纤维埋入RFL胶膜的试样进行反复溶解，直至上层的溶液变为澄清为止(不含纤维)，去除上层清液后，把剩下的溶液移至培养皿中，待溶剂自然挥发后，在显微镜下观察分离出的短纤维，并用高分辨率CCD相机拍摄照片，然后对纤维断裂长度进行统计测量。

界面剪切强度τ可按照下式计算得到：

τ＝σ_sD_f/(2L_c)

式中，σ_s为纤维强度，D_f为纤维直径，L_c为纤维的临界长度。纤维临界长度可由下式获得：

式中L_avg是纤维断裂平均长度，L_i是每根纤维断裂长度，n为统计的纤维断裂数目。

(3)测试结果

统计得到芳纶纤维埋入RFL胶膜试样的纤维断裂平均长度为0.71mm，通过界面剪切强度计算式计算得到芳纶纤维与RFL胶膜的界面剪切强度为20.60MPa。

4.界面相与橡胶界面剪切强度测量

制备多根经RFL表面处理后的芳纶纤维埋入橡胶基体的复合材料试样，结构如图4所示。制备方法：首先按橡胶的模压工艺制备出未硫化的橡胶基体薄片400，将经过RFL表面处理的多根芳纶纤维单丝401均匀地排布在两橡胶基体薄片400之间，然后将其放入平板硫化机中进行硫化，制备得到含多根芳纶纤维的复合材料试样。其纤维断裂长度的测试方法与“纤维与RFL胶膜界面剪切强度测量”相同。

统计得到芳纶纤维埋入丁腈橡胶试样中的纤维断裂平均长度为1.50mm，通过界面剪切强度计算式计算得到界面相与橡胶基体的界面剪切强度为9.75MPa。

实施例2

RFL浸渍溶液配制时，R/F摩尔比为1，RF树脂占胶乳的质量比为16％，RFL胶膜试样厚度为0.1mm，RFL浸渍溶液的配方如下表，其余同实施例1。

实施例3

RFL浸渍溶液配制时，R/F摩尔比为0.68，RFL胶膜试样厚度为0.3mm，RF树脂占胶乳的质量比为18％，RFL浸渍溶液的配方如下表，其余同实施例1。

成分	干重(g)	湿重(g)
			RF溶液
间苯二酚	4.0	4.0
			甲醛	1.6	4.4
NaOH	0.2	2.0
			蒸馏水		88.0
25℃熟化6小时	5.8	98.4
			RFL浸渍溶液
RF溶液	5.8	98.4
			丁吡胶乳	32.2	78.6
蒸馏水		20.0
			氨水		4.0
25℃熟化24小时	38.0	201

Claims (4)

1.一种RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，其特征在于包括，

步骤1、配置RFL浸渍溶液：将间苯二酚溶液加入到NaOH溶液中，搅拌使其分散均匀，按间苯二酚与甲醛摩尔比0.5～1添加甲醛溶液制成RF溶液，RF溶液在25℃的恒温标准水浴中熟化4～6小时后加入到丁吡胶乳混合液中形成RFL浸渍溶液，其中间苯二酚与甲醛质量总和占丁吡胶乳质量比为15～20％；

步骤2、步骤1获得的RFL浸渍溶液在常温下熟化20小时以上后，均匀平铺在矩形模具基板上，然后将若干根芳纶纤维单丝在环氧树脂水溶液中预浸渍，烘干后平行埋入RFL浸渍溶液中并放置在室温条件下自然干燥，当RFL浸渍溶液形成膜状后，将其放入温度为130℃的干燥箱里进行硫化5min，取出后从模具分离剪裁制成RFL胶膜试样；

步骤3、取不少于5个步骤2所得试样，在拉伸载荷试验机上将其拉断，溶于有机溶剂中，采用分离观测法测试芳纶纤维断裂长度；

步骤4、按橡胶的模压工艺制备出未硫化的橡胶基体薄片，将经过步骤1所述的RFL浸渍溶液表面处理的若干根芳纶纤维单丝均匀地平行排布在两片橡胶基体薄片之间，然后将其放入平板硫化机中进行硫化，制备得到含多根芳纶纤维的复合材料试样；

步骤5、取不少于5个步骤4所得试样，在拉伸载荷试验机上将其拉断，溶于有机溶剂中，采用分离观测法测试芳纶纤维断裂长度；

步骤6、根据步骤3和步骤5测得的芳纶纤维断裂长度分别计算对应界面剪切强度；

其中，所述R为间苯二酚，F为甲醛，L为丁吡胶乳。

2.根据权利要求1所述的RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，其特征在于：所述步骤1制备RF溶液时，间苯二酚与甲醛摩尔比0.5～1。

3.根据权利要求1所述的RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，其特征在于：所述步骤1制备RFL浸渍溶液时，间苯二酚与甲醛质量总和占丁吡胶乳质量比为15～20％。

4.根据权利要求1所述的RFL表面处理芳纶纤维橡胶复合材料双界面剪切强度测试方法，其特征在于：步骤6中所述界面剪切强度τ由以下公式获得：

τ＝σ_sD_f/(2L_c)

其中σ_s为纤维强度，D_f为纤维直径，L_c为纤维的临界长度，所述纤维临界长度由下式获得：

$L_c=4L_{avg}/3=4\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{L}_i/\left(3n\right)$

其中L_avg为纤维断裂平均长度，L_i为每根纤维断裂长度，n为统计的纤维断裂数目。