【文章內(nèi)容簡介】 9。 10%]所需的時間（焦燒時間）； t90— 轉(zhuǎn)矩達(dá)到 [Mn+(MmMn)179。 90%]所需的時間（正硫時間） （ t90 t10） 又叫硫化反應(yīng)速度，其值越高，硫化速度越慢。 稱重記錄于下表中 序號 瓶重 干膠重 溶漲后 平衡時溶漲體內(nèi)溶劑重 稱重 1 稱重 2 稱重 3 稱重 4 1 2 3 4 5 從有關(guān)手冊上查出天然橡膠的密度 ρ2 和各種溶劑的密度 ρ1 及溶度參數(shù) δ1，由式（ 3）計算交聯(lián)天然橡膠在各溶劑中的溶脹度 Q。 作 Qδ圖，粗略求出交聯(lián)天然橡膠 Qmax 所對應(yīng)的溶度參數(shù) δ2。 已知天然橡膠 苯之間的相互作用參數(shù) ?1=，根據(jù)式（ 6）計算交聯(lián)天然橡膠的 cM 值。 假定所用的天然橡膠試樣的 cM 相同，由式（ 6）計算出天然橡膠與另外幾種溶劑之間的相互作用 參數(shù)。 59 綜合實驗四 成型工藝及成型產(chǎn)物性能分析 實驗 41 聚丙烯塑料擠出成型（ 2 學(xué)時） 實驗 42 聚丙烯塑料注射成型（ 2 學(xué)時） 實驗 43 產(chǎn)物組成分析（ 1 學(xué)時） 實驗 44 熔融指數(shù)（ 2 學(xué)時） 實驗 45 結(jié)晶形態(tài)（ 1 學(xué)時） 實驗 46 結(jié)構(gòu)分析（ 1 學(xué)時） 實驗 47 力學(xué)性能測試（ 2 學(xué)時） 一、實驗?zāi)康? 1) 了解樹脂基纖維增強復(fù)合材料的增強原理、增強方法及界面作用機理。 2) 學(xué)習(xí)使用雙 螺桿擠出機共混制備短纖維增強聚合物復(fù)合材料的原理、方法及工藝。 3) 學(xué)習(xí)雙螺桿擠出機的操作及維護(hù)，了解該機器的功能及應(yīng)用。 4) 了解熔融指數(shù) 5) 了解偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用方法。 6) 觀察聚合物的結(jié)晶形態(tài)，估算聚丙烯球晶大小。 7) 了解注射成型的成型原理與過程。 8) 了解注射成型工藝條件等對塑料制件性能的影響。 9) 了解塑料拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、壓縮強度、沖擊強度、硬度等力學(xué)性能測試的意義和方法。 10) 了解裂解氣相色譜，紅外光譜分析產(chǎn)物組成的方法。 11) 了解掃描電子顯微鏡觀察聚合物微觀形態(tài)的意義及操作 方法 二、實驗原理 纖維增強復(fù)合材料強度的理論分析 纖維增強塑料的增強原因是依靠其復(fù)合作用，利用纖維的高強度以及承受應(yīng)力，利用基體樹脂的塑性及其與纖維的粘結(jié)性傳遞應(yīng)力，從而使復(fù)合材料的強度和模量得以提高。纖維增強塑料復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于三方面的因素：（ 1）纖維材料的強度及模量；（ 2）基體樹脂的強度及化學(xué)穩(wěn)定性；（ 3）應(yīng)力在界面?zhèn)鬟f時，樹脂與纖維的粘結(jié)效能。一般可概括為公式： 10??????? ffmmc ?? （ 1） 60 σ c—— 復(fù)合材料的拉伸強度。 σ m—— 基體樹脂的拉伸強度。 σ f—— 纖維材料的拉伸強度。 Ф m—— 基體樹脂的體積分?jǐn)?shù)。 Ф f—— 纖維材料的體積分?jǐn)?shù)。 ε 0—— 纖維材料取向因子（ε 0≤ 1），一般對于單軸取向ε 0=1，對于雙軸取向ε 0=（適用于一般注射成型制件，厚度 6mm）。對于三維空間自由取向ε0=（適用于厚制件，厚度 6mm）。 ε 1—— 復(fù)合材料增強效率因子 (0ε 1)，ε 1 與復(fù)合材料的（ L/d） /(L/d)c有關(guān)。其中（ L/d） 是復(fù)合材料中纖維平均長徑比，（ L/d） c 是復(fù)合材料的纖維臨界長徑比。該值大小反映了纖維材料與基體樹脂界面粘結(jié)力的強弱，可以從如下關(guān)系式中導(dǎo)得： 考慮埋置于承受載荷得基體樹脂中的單根短纖維（見圖 1），其拉伸載荷通過界面剪切應(yīng)力τ y 傳遞給纖維，使得纖維內(nèi)部產(chǎn)生張應(yīng)力σ（ E） 。即： dZZrZdr )(2)(2 ???? ?? ? ?? dZZZdr )(2)( ?? )(Z? —— 纖維材料表面剪應(yīng)力； Z—— 纖維末端至受力中心的距離； r—— 纖維半徑。 圖 41 復(fù)合材料中纖維受力分布圖（ L=Lc） 在基體樹脂完全潤濕纖維情況下，則 )(Z? =τ y，即 τ y 沿纖維長度方向保持常數(shù)，故得： )(Z? =2τ y Z/r （ 2） 61 上式表明： τ y 越大，界面粘結(jié)性好，則 Lc 值越小。 當(dāng)復(fù)合材料中纖維長度 Lc 小于時，纖維在應(yīng)力作用下將被拔出 ，起不到有效得增強效果。當(dāng)纖維長度等于時 Lc，則纖維承受載荷，纖維和基體樹脂將沿相同的進(jìn)一步增加。然而這些是理想情況，在實際復(fù)合材料制件中，纖維相互重疊，搭接，即使在單軸取向情況下，對于實際制件的任一給定截面，都不可能存在所有纖維的兩端都平均分擔(dān)載荷的情況。因此， Cloud 證明：至少必須保持復(fù)合材料中纖維平均長度 10 倍于 Lc 以上，才能獲得最大增強效果，即ε 1=。亦即在該條件下，復(fù)合材料將達(dá)到其對應(yīng)連續(xù)纖維復(fù)合材料強度的 95%。參見圖2。其中 5%的強度損失則是由于短纖維端部弱化區(qū)域的影響所致。 圖 42 增強效率因子 ε 1 與（ L/D） /(Lc/D)的關(guān)系 由上述分析可見：在纖維、樹脂的強度和體積分?jǐn)?shù)都固定的情況下，ε 1 是決定復(fù)合材料強度的主要因素。因此，保持復(fù)合材料中纖維長度和改善纖維、樹脂間的界面粘結(jié)強度是提高復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。 界面粘結(jié)機理 復(fù)合效果主要是界面效果，由于界面的存在，顯示出復(fù)合材料的各種性能，并且由于界面結(jié)構(gòu)的變化，從而引起了復(fù)合材料性能的變化。一般玻纖、樹脂界面常包含五個區(qū)域，即： （ 1） 玻纖表面 （ 2） 玻纖 /偶聯(lián)劑界面 （ 3） 偶聯(lián)劑層 玻纖 /樹脂界面相 （ 4） 偶聯(lián)劑 /樹脂界面 （ 5） 基體樹脂 界面相的作用是使基體樹脂與增強材料形成整體，并通過它傳遞應(yīng)力。 對于偶聯(lián)劑處理玻纖復(fù)合體系的界面作用機理現(xiàn)已提出了許多理論，其中比較重要的有： 62 a 化學(xué)鍵理論 這是最古老的界面形成理論，也是最重要的理論。該理論認(rèn)為：偶聯(lián)劑應(yīng)帶有理論上能與玻纖表面硅醇基團(tuán)反應(yīng)的官能團(tuán)，以共價鍵形式在玻纖表面形成附著物。同時偶聯(lián)劑還至少應(yīng)具有一個在理論上能與固化時的樹脂起反應(yīng)的化學(xué)官能團(tuán)。偶聯(lián)劑在當(dāng)中起著分子橋的作用，以共價鍵 的形式把玻纖與樹脂聯(lián)結(jié)起來。 根據(jù)化學(xué)鍵理論 有機硅烷偶聯(lián)劑分子與玻纖表面的反應(yīng)機理可表述如下： （ 1） 有機硅烷水解，生成硅醇 SiRX XXOH 2 SiOH O HRO HH X+ 3 （ 2） 玻纖表面吸水，生成羥基 Si OO HSi O SiO H O H （ 3） 硅醇與吸水的玻纖表面反應(yīng)及縮合 硅醇與吸水玻纖表面生成氫鍵，干燥過程中硅醇之間以及硅醇、玻纖之間醚化反應(yīng)，生成表面附著物，從而改變了玻纖表面性質(zhì)。 Si OOHROSi O HROOSiOSiOSiOHROOSiOSiOSi O HROHHH HO OH H H HO OH H SiOHROO Si O HROSiOH O HRO H SiO OROSiSi OOO O Si OSi O SiRO HRO HRO Hn O OSi Sin 上述反應(yīng)過程已得到了 和吳叔勤等人的證實。至于偶聯(lián)劑中 R 基團(tuán)與樹脂的結(jié)合，不同的基團(tuán)將適合于不同類型的樹脂。其間的化學(xué)作用也為眾多的實驗事實所證實。 但化學(xué)鍵理論不能解釋有些不能與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的偶聯(lián)劑也能起到增強作用的原因。另外按照化學(xué)鍵理論，偶聯(lián)劑只要在玻纖表面形成單分子層就已足夠了，（ %濃度的硅烷水溶液處理即可）。但實際上 Johanson 等人證明：偶聯(lián)劑的處理濃度在 %時效果最好。也就是所硅烷在玻纖表面形成多分子層后， 63 增強效果較好。 b 表面浸潤理論 由 Zisman 和 Bascon 等人提出的表面浸潤理論則是以界面化學(xué)的基礎(chǔ)為依據(jù)的。對于所有粘合劑粘合的首要條件是粘合劑必須能潤濕基材，若增強材料可完全被潤濕，則由物理吸附所提供的粘結(jié)強度就已超過樹脂的內(nèi)聚能。但實際上，樹脂要和水及其他可能的弱表面層競爭，所以簡單的物理吸附并不能保持有效的粘結(jié)。偶聯(lián)劑可阻止水等小分子進(jìn)入界面，提高粘結(jié)性。但實際上玻纖表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，卻往往又妨礙了潤濕。這與表面潤濕理論有所矛盾。 c 變形層理論 Hooper 等提出的變形層理論認(rèn)為：由于樹脂固化時的收縮，以及層壓材料中樹脂與 玻纖熱膨脹系數(shù)的差異。因此界面上將產(chǎn)生剪切應(yīng)力。處理劑的重要作用就在于局部消除這些內(nèi)應(yīng)力。因而要求處理劑應(yīng)具有足夠的松弛性，能盡量地消除或降低粘合界面間的內(nèi)應(yīng)力，使材料的強度得以保持。 但是由于單靠玻纖表面上的偶聯(lián)劑來消除界面應(yīng)力又顯得太少。因此，Erickson 和 Volpe 等又提出優(yōu)先吸附理論進(jìn)行修正。他們認(rèn)為：玻纖表面對樹脂中各組分的吸附能力有差異。那些樹脂中能生成低表面能的組分可能會被優(yōu)先吸附，從而使得界面上形成所謂柔性層。這可能是一種固化不完全的樹脂，具有可塑性。因而可起到松弛界面應(yīng)力的作用， 來防止材料的分層。 d 約束層理論 Kumine， Rotman 和 Kwei等人提出的約束層理論認(rèn)為：界面區(qū)域的模量介于樹脂與增強材料之間的，則可均勻地傳遞應(yīng)力。吸附在影質(zhì)塑料上的聚合物分子比其本體聚集的緊密。其緊密程度隨著與增強材料的距離的增大而減弱。硅烷偶聯(lián)劑的作用在于拉緊界面上的聚合物結(jié)構(gòu)，同時提供硅醇基團(tuán)以粘結(jié)無機表面。但由于存在聚合物與增強材料間熱收縮性質(zhì)的不同，這種概念又難于與界面應(yīng)力松弛的要求相一致。 e 摩擦系數(shù)理論 Qutwater 提出的摩擦系數(shù)理論認(rèn)為：增強材料和樹脂間的摩擦系數(shù)決定 了層壓板的強度，而偶聯(lián)劑的作用是改變摩擦系數(shù)，增大接觸面積和投錨效果，從而使復(fù)合材料的強度得到提高。 f 可逆水解理論 Pluedmann 等人把化學(xué)鍵理論，約束層理論和變形層理論綜合起來，提出了可逆水解鍵合理論。該理論認(rèn)為：在水的存在下，偶聯(lián)劑與玻纖之間受應(yīng)力的鍵可可逆的破裂和再建立，達(dá)到應(yīng)力松弛的目的，而并未喪失其粘結(jié)性。只要界面層是剛性的，粘結(jié)鍵水解后產(chǎn)生的游離硅醇在移動一定位置后又能與玻纖表面形成新鍵。但該理論對柔性界面層不適用。因聚合物與偶聯(lián)劑所生 64 成的柔性膜，在與玻纖表面形成的鍵水解斷裂后，會回縮 而不能重新生成新鍵。 g 互穿網(wǎng)絡(luò)理論 80 年代 Plueddeman 等人針對烴類等非活性聚合物的增強提出了互穿網(wǎng)絡(luò)理論。該理論認(rèn)為：在無機材料界面上的硅烷偶聯(lián)劑與熱塑性樹脂形成互穿或半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。在填料與樹脂混合初期，涂布于無機材料表面未完全固化的硅烷可起到潤滑劑與分散劑的作用。在模塑溫度下，熔融熱塑性樹脂可部分溶解于玻纖表面硅烷齊聚物中。當(dāng)復(fù)合材料冷卻時，熱塑性樹脂的溶解度下降，并作為互相貫穿在界面上與硅烷相分離。在模塑溫度下，硅烷齊聚物可產(chǎn)生某種程度的交聯(lián)，添加過氧化物可促進(jìn)交聯(lián)，有助于網(wǎng)絡(luò)被溶 解的熱塑性樹脂相。對熱塑性樹脂以輕度交聯(lián)或接枝有利于形成互穿的網(wǎng)絡(luò)。 復(fù)合材料的界面作用機理很多，從上述各理論的分析可以看出：雖然各個理論都有一定的實驗依據(jù)，但它們各有側(cè)重，多數(shù)都有自己的適用范圍。而且多數(shù)實驗事實需要兩個以上的機理才能解釋，并不具備統(tǒng)一性。然而不論何種機理，欲要得到有效而長久的界面粘結(jié)效果，則復(fù)合材料界面相必須滿足三個基本條件：第一，在玻纖與樹脂界面間必須形成牢固的界面聯(lián)結(jié)，（其中界面間的化學(xué)作用時不可缺少的部分）。第二，由于玻纖與樹脂間熱收縮性質(zhì)的不同而產(chǎn)生的界面應(yīng)力，必須能通過一定的 合適途徑而及時得到有效松弛。第三，為了能均勻、有效地傳遞應(yīng)力，界面相區(qū)域的模具必須介于玻纖、與樹脂之間，形成過渡區(qū)域才較為合理。 關(guān)于樹脂基復(fù)合材料的界面作用機理現(xiàn)已有了更新的解釋。 復(fù)合材料中玻纖長度及其分布的影響因素分析 保持復(fù)合材料中的纖維長度，使其盡可能大于臨界長度（ Lc） 多倍。這也是提高復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素。影響復(fù)合材料中纖維長度的因素很多，但歸納起來不外是：纖維、樹脂的品種，復(fù)合方式以及復(fù)合和成型過程中的工藝參數(shù)。其中核心問題乃是剪切應(yīng)力對纖維的混合作用與破壞作用的矛盾。 對于玻纖的品種有短切纖維與連續(xù)長纖維之分。有些作者已證明：單螺桿擠出機中玻纖的磨損與纖維起始長度、分散狀態(tài)以及在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)無關(guān)。對于樹脂品種目前研究較多的仍然是 PP、 PE 和 ABS 等。其影響的主要因素仍是復(fù)合和成型過程中樹脂的粘度。 復(fù)合方式可分為