| 单词 | 聚合物基复合材料的界面 |
| 释义 | 【聚合物基复合材料的界面】 拼译：the interfacc of polymer composites 聚合物基复合材料是以聚合物为基体，增强材料为基材形成的多相材料，相与相之间存在界面。界面不是抽象的几何学曲面，而是介于两相之间，具有一定厚度和复杂结构的区域。因此有人主张用“界面层”(interlayer)或“界面相”(interphase)替代“界面”(inferface)一词。 界面对复合材料的性能起重要的作用。界面把基体和增强材料粘结成一个整体，将外加应力从基体传递到增强材料，使增强材料的强度和模量得到充分的发挥，界面对复合材料的力学、粘附、摩擦、老化、润滑等性能均有重要的影响，因此界面的研究是复合材料科学中一个十分活跃的领域。自20世纪40年代玻璃纤维增强塑料(GFRP)问世以来，科学家们就十分重视复合材料界面的研究，美国康宁(D．Corning)公司的普鲁特曼(Plueddemann))等人首次用硅烷偶联剂处理玻璃纤维，有效地提高了GFRP的性能。此后的界面研究主要是围绕着偶联剂的作用机理及界面层的结构表征，提出了种种界面理论。在界面层结构研究中，希拉特(Schrader)等用同位素方法研究硅烷偶联剂处理后玻纤表面的结构，发现玻纤表面的硅烷有三个层次，即可用冷水洗去的物理吸附层，可用沸水洗去的化学吸附层，以及与玻纤牢固地结合在一起的化学结合层。意希达(Ishida)等利用富利埃转换红外(FTIR)和激光拉曼光谱研究界面，从偶联剂与玻纤作用前后红外光谱的差别证明了硅烷偶联剂与玻纤表面发生了化学反应。吴叙勤等用气相色谱的方法鉴别出乙烯基三乙氧基硅烷与SiO2作用后有乙醇峰出现，从另一角度证明了偶联剂与玻纤表面形成了化学键。琼逊(Johnnson)等在硅烷偶联剂处理前后的玻纤上分别进行了14C标签的甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的聚合反应，证明了硅烷偶联剂与基体进行化学反应的可能性。复合材料界面理论的研究始于50年代，至今仍在继续进行。提出的复合材料的界面理论有化学键理论、浸润理论、可形变层理论、约束层理论、酸碱作用理论、静电作用理论、可逆水解理论等等，这些理论都有一定的实验支持，但也出现许多矛盾。过去的研究工作倾向于提出一个具有普遍意义的理论，试图说明所有复合材料的界面行为，事实证明，由于界面层的表征问题至今尚存在着相当大的困难，要提出一个具有普遍意义的界面模型及其相应的理论是不切实际的，但是对特定的体系进行模型设计和理论处理，将界面性能参数如粘接功、界面自由能，溶解度参数，浸润速度、临界表面张力等与复合材料的整体性能相联系，还是很有意义的，目前，界面理论的研究仅处在半定量和经验的水平上。航空航天事业的发展对复合材料提出了更高的要求，60年代碳纤维增强塑料(CFRP)，70年代凯芙拉(Kevlar)纤维增强塑料相继问世，先进复合材料(Advanced Composide Materials)发展起来。碳纤维，Kevlar纤维等表面缺乏活性基团，与基体界面粘接弱，其复合材料有界面剪切强度低的缺点。因此对碳纤维，凯芙拉纤维等进行有效的表面处理，表征和评价表面处理的结果，是70年代以后复合材料界面研究的热点。表面氧化法是最早发展的碳纤维表面处理技术，可分为液相氧化、气相氧化和阳极氧化法等等。液相氧化法以浓硝酸、次氯酸钠，硫酸等强氧化剂处理纤维表面，处理效果好，易控制，但多为间歇操作，并产生大量废液。气相氧化法在高温、含氧气氛中使碳纤维表面氧化，优点是设备简单、反应时间短，易连续生产，但有纤维损伤较大，反应剧烈难以控制，重复性差等缺点，阳极氧化法以碳纤维为阳极，在电解质溶液中通电后，用电解产生的初生态氧进行氧化，常用的电解质有NaOH，NH4HSO3，HNO3，H3PO4等，阳极氧化的处理条件缓和，易控制，可连续生产，是目前工业上对碳纤维进行处理的一种较为普遍的方法。碳纤维经氧化处理后，比表面积增加，表面含氧基团和含氮基团增加，由此制成的复合材料的层间剪切强度成倍地提高。低温等离子是处理碳纤维和Kevlar纤维等的有效方法之一，以O2、N2、NH3、Ar等气体等离子处理后，纤维的表面浸润性提高，活性含氧基团含量增加，制成的复合材料的层间剪切强度提高。有趣的是等离子处理后纤维表面的活性放置后会消失。因此处理后纤维应尽快复合或涂覆树脂保护层。对于活性消失的原因尚无定论，是低温等离子处理研究中有待于深入研究的课题之一。表面接枝法也是很有发展前途的表面处理方法之一。表面接枝法使乙烯基单体在纤维表面上进行接枝聚合，生长出能与基体紧密结合的界面缓冲层。接枝方法有化学接枝法，等离子接枝法和电解聚合法等。化学接枝法是通过化学方法在纤维表面引入可引发聚合反应的活性点，然后使单体聚合，坪川纪夫在该领域进行了长期探索。化学接枝法的优点是可以通过单体或聚合条件的选择设计界面层，很有理论意义，但处理方法复杂，工业化困难。等离子接枝法是先将纤维进行等离子处理，利用处理后纤维表面的活性点进行接枝聚合。H．Yasuda在这方面做了大量工作，但因需要高真空设备，聚合难控制，实际应用困难。电解聚合是在电解液中加入不饱和单体，用碳纤维作为电极，利用电极反应生成的自由基引发单体聚合，但由于电解液中单体也会聚合，所以浪费较大。虽然应用表面接枝技术可对界面层进行结构设计，但是对界面层需要什么性质的问题尚有不同见解，一种见解认为界面层的模量应介于基体与增强材料之间，形成梯度过渡；另一种观点则认为界面层的模量应低于增强材料和基体，最好是一种橡胶弹性体。两种见解都有一定实验支持，尚未得到定论。在界面研究中，对界面层的化学组成，形貌及物理性能进行表征是认识界面、评价表面处理技术的重要手段，界面表征技术正取得长足的进步。处理后增强剂表面的表征研究较为成熟，如化学分析法，FTIR，紫外光谱法，微区激光拉曼光谱，ESCA，BET微量热法，反向色谱法等等均有报导，这些方法主要用来测定增强材料表面处理前后比表面积、浸润性及化学元素组成的变化。尽管目前已发展了许多先进的表面分析仪器，但由于界面层仅为纳米级的微区，组成又非常多杂，因此迄今为止还不能说哪一种方法可满意地获得有关复合材料界面层化学组成的信息。即使是最新推出的扫描二次离子质谱仪(SSIMS)，核磁共振断层扫描图示，微区分析拉曼光谱等也有很大局限性。对界面层的形貌和厚度进行表征的主要手段是高分辨的透射和扫描电镜，俄歇电子图象及成份显示仪(SAM)，SSIMS，椭圆偏振仪等。最近出现的角扫描X线反射谱(GAXR)可以测定复合材料界面层的厚度。另外如果能将扫描声学显微镜的分辨率由亚微米级提高到纳米级，将是非常有效的复合材料界面厚度及形貌的分析手段。界面层粘接强度的表征主要依靠直接的破坏性强度测定，目前基本上采用单丝拔出法，临界纤维长度Lc法，纤维顶出法及三点弯剪法，现在也用动态内耗测定仪来研究复合材料的界面粘接行为。就聚合物基复合材料而言，内耗的温度谱上玻璃化转变峰有分裂成两个峰的现象，其中高峰反映出界面层的行为。聚合物基复合材料界面的研究虽已获得很大的成就，但由于界面层的微小及结构的复杂，迄今对界面的了解还是非常肤浅。实际上大量的研究仅仅限于对增强剂表面的研究，而对形成复合材料后的真实界面还缺乏真实的认识。此外对于界面层的作用也只是在传递应力上有所认识，而对界面层传递功能的作用，目前尚极少研究。预计今后对聚合物基复合材料的研究将在以下几个方面进展：(1)对先进复合材料用高性能增强纤维继续进行表面处理方法的研究，探索切实可行的经济而有效的表面处理技术；(2)将最新的科技成果和表征技术应用于界面研究，在更深层次上认识界面层的结构形貌；(3)对复合材料界面层进行控制与设计；(4)对功能复合材料的界面层作用开展研究。【参考文献】：1 Zisman W. Ind Eng Chem,1963,55(1) :192 Schrader M E. J Adhesion ,1970,2:2023 Ishida H J. Colloid Interface Sci, 1978,64:5554 Plueddeman E P. Interface in Polymer Marfix composites,1974；华东化工学院玻璃教研组译，19805 吴叙勤，等．华东化工学院学报，1985，11∶4516 Yasuda H．Plasma Polymenzaflon，Acadamic Press Inc，19857 吴人洁．90年代中国复合材料发展展望研究会论文集，19908 Ishida Confrolled Inderphase in Composfte Maferrals Proccedingof ICCI Ⅱ，19909 郑安呐，等．第9届玻璃纲／多合材料年会论文集，1991，A12(华东理工大学胡福增副教授、王晓宾讲师撰；吴叙勤审) |
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