杨越飞1,2，杨文斌1※，徐建锋1，赖佳佳1，宋剑斌1，张欣向1

（1. 福建农林大学材料工程学院，福州 350002； 2. 国家人造板及林化工产品质量监督检验中心，三明 365000）

摘要：为探明玄武岩纤维/不饱和聚酯（UP，unsaturated polyester resin）复合材料的耐候性和力学性能，通过人工模拟加速气候箱对复合材料进行紫外光和冷凝处理，并测试、分析老化前后复合材料的力学性能、微观结构及化学结构的变化。力学性能测试发现，老化后的复合材料力学性能下降明显，拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和弹性模量与未老化相比分别下降了35%、20%、60%和52%。扫描电子显微镜（SEM，scan electron microscope）观察老化前后的复合材料，发现包裹在纤维周围的树脂逐渐脱落，基体降解并产生碎片和横向裂纹并不断扩展形成多级开裂。傅立叶红外光谱分析（FTIR，Fourier transform infrared spectrum）测试发现，老化后的复合材料在1725 cm-1 处的酯羰基吸收峰减弱，1280 和1130 cm-1 处酯基消失；同时，在747 和702 cm-1 处的邻苯型1,2-二取代吸收峰也消失。研究结果表明，不饱和聚酯上的羰基与双键或苯环上的羰基共轭体系发生变化，使酯羰基分解产生CO；同时，聚酯发生链断裂、自由基终止等交联反应。玄武岩纤维/UP 复合材料的耐老化研究有利于延长该产品的使用寿命，对下一阶段制备玄武岩纤维/亚麻纤维混杂复合材料的耐候性和力学性能提供参考依据。

关键词：复合材料；玄武岩；纤维；不饱和聚酯；耐老化性能；力学性能

0 引言

玄武岩纤维以天然玄武岩为原料，破碎后加入熔窑中，在高温熔融后，拉伸成纤维。无机玄武岩纤维采用单组分矿物原料熔体制备而成，在耐高温、化学稳定性、耐腐蚀性和耐候性等性能方面优于玻璃纤维。同时，玄武岩纤维原料来源广泛，生产成本低、能耗少，深受各国学者的关注[1-5]。目前利用玄武岩制备的复合材料主要用于混凝土、道路交通桥梁和水处理的过滤设备等。

玄武岩纤维/UP（不饱和聚酯，unsaturated polyester resin）复合材料在加工、使用过程中，会受到环境因素的影响，其物理和化学性质及力学性能发生不可逆的变化现象，这种现象被称为老化[6]。复合材料在老化过程中，表面会出现裂纹、粉化及光学颜色变化等，同时，力学性能以及高分子化合物也会发生相应的变化。国内外学者对复合材料耐老化性能进行了研究。Sim 等[7]研究表明玄武岩/UP复合材料的片状试件在沸水中1 h，其界面剪切强度下降了40%。杜武青等[8]用X 射线光电子谱（XPS，X-ray photoelectron spectro –scopy）研究不饱和聚酯人工加速耐老化行为，结果表明紫外光是不饱和聚酯降解的主要原因。杨勇新等[9]对玄武岩纤维布分别与进口改性聚氨酯结构树脂胶，型号ISR1 和国产树脂多元酚氧化还原树脂胶，型号分别为CSR1、CSR2、CSR3 制备复合材料，并研究其在湿热老化箱中的物理化学变化。Mouzakis 等[10]在人工模拟加速老化环境下对玻璃纤维/聚酯复合材料进行研究，结果表明老化后的复合材料出现裂纹，基体表面更硬，脆性增大。

植物纤维具有可降解、密度低、性价比高等优点深受国内外学者关注[11-12]。但是大部分植物纤维如亚麻、竹子、黄麻、大麻等主要成分之一纤维素，在紫外光照、热效应和潮湿环境下，植物纤维/UP制备的复合材料容易发生降解，导致其力学性能下降[13]，不利于长期在户外使用。为进一步改进植物纤维的耐候性，表层用玄武岩纤维进行混杂，采用“三明治”设计方式进行制备复合材料。

基于以上考虑，本试验设计在加速老化环境下，研究玄武岩纤维/UP 复合材料的降解机理和力学性能变化，利用万能力学试验机、扫描电子显微镜（SEM，scan electron microscope）和傅立叶变换红外光谱仪（FTIR， Fourier transform infrared spectrum）对复合材料进行表征，通过检测老化前后复合材料的力学性能、SEM 分析弯曲试件的断面形貌以及FTIR 光谱分析老化前后复合材料基团上的变化，揭示复合材料降解的机理，验证该材料是否具有抗耐候性。这不仅可以预测该材料的使用寿命，更重要的是为下一步深入研究玄武岩/亚麻混杂纤维复合材料的耐候性提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：玄武岩平纹纤维布（增强纤维），端头直径7 μm，厚度0.18 mm，面密度200 g/cm2（东莞俄金玄武岩纤维有限公司）；不饱和聚酯196#（基体）（佛山市东和玻璃钢复合材料有限公司）；过氧化甲乙酮（引发剂）（国药试剂有限公司），异辛酸钴（促进剂），（阿拉丁试剂上海有限公司）。

试验仪器：平板硫化机（型号 50T，杭州苏桥佳迈机械设备有限公司）；热压机（型号BY24，上海人造板机械有限公司）；微机控制电子万能试验机（型号 CMT-6104，深圳市新三思计量技术有限公司）；加速老化试验箱（型号 QUV/SPRAy，美国Q-lab有限公司）；扫描电镜（型号 XL30E，荷兰FEI 有限公司）；傅里叶红外光谱仪（型号Nicolet 380，美国力高特有限公司）。

1.2 复合材料的制备工艺

试验主要采用模压来制备复合材料，具体工艺流程如下图1 所示。

老化 3 d 后的玄武岩纤维/UP 复合材料，从图7上观察与未老化的谱图相比变化不明显，只有-OH特征峰减弱，因为不饱和聚酯脂肪链上的叔碳原子上形成氢过氧化物。老化13 d 后，-OH 特征峰会逐渐消失，苯环上的邻位取代的酯基共轭作用产生自由基，因此，2 900 cm-1 特征峰位减弱。老化30 d后，在1 725 cm-1 明显可以观察酯羰基(C=O)吸收峰减弱。由于紫外光的照射，C=O 断裂，生成CO2；1 280 和1 130 cm-1 处酯基消失，其原因是聚酯在光氧化时发生链断裂、自由基终止等交联反应；1 452 cm-1 处的苯环骨架振动峰和747 cm-1 处的邻苯型1,2-二取代吸收峰消失，其原因主要是紫外光照射，激发共轭体系，以共振形式形成自由基和小分子化合物，如：CO 和CO2[20]。这与前面的不饱和聚酯降解机理是一致的。此外，通过对比降解后的复合材料与玄武岩纤维谱图发现二者相似，进一步证实复合材料在加速老化过程中，不饱和聚酯发生了降解，导致复合材料界面破坏，从而影响整个复合材料力学性能。

以上力学性能、SEM 和FTIR 的研究结果一致表明，复合材料力学性能明显减弱，是由于基体发生降解导致基体与纤维的界面结合力下降，产生裂纹。

3 结 论

利用玄武岩纤维增强不饱和聚酯制备复合材料，并对该材料耐候性和力学性能进行了评价，主要结论如下：

1）复合材料力学性能下降趋势明显；老化后与未老化处理的复合材料拉伸强度和断裂伸长率分别下降了35%和20%，弯曲强度和弹性模量分别下降了60%和52%。复合材料破坏的方式由弹性形变转变为脆性断裂；推测其主要原因是基体降解后产生的微裂纹导致复合材料内部应力集中，从而整体结构受到破坏。

2）通过扫描电子显微镜（SEM，scan electron microscope）观察，试件老化前后，包裹在纤维周围的树脂逐渐脱落，并出现横向裂纹和碎片。结果证明了复合材料力学性能降低的原因主要是基体的降解产生的裂纹导致基体与纤维的界面破坏，验证了假设。

3）利用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR，fourier transform infrared spectrum）进一步分析玄武岩纤维、复合材料老化前后变化的官能团变化，如羰基消失，酯基减弱以及苯环骨架振动峰消失等现象表明基体产生降解，验证了复合材料老化是基体降解所产生。

[参 考 文 献]

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