新疆理化所在玄武巖纖維增強高分子復合材料界面脫粘研究領域取得進展

玄武巖纖維是一種由玄武巖礦石為原料，通過熔融拉絲工藝制備的高性能纖維材料，因具有無毒、力學性能優異、耐腐蝕等優點，已經被廣泛用于制備纖維增強高分子復合材料(FRP)并被用于交通、建筑等多個領域。在FRP中，纖維表面與基體之間形成的區域稱之為界面，其主要作用是將外界負載通過界面由高分子基體傳遞至纖維，從而使FRP的宏觀性能得到顯著提升。界面的結構和性質對于應力傳遞過程尤為重要，而纖維和基體之間的界面脫粘是導致FRP結構破壞的主要因素，因此建立FRP材料界面脫粘預警和監測技術對于評價材料的壽命及服役行為具有重要意義。

近期，中科院新疆理化所環境科學與技術研究室科研人員建立了一種用于監測玄武巖纖維增強高分子復合材料界面脫粘研究的新方法?？蒲腥藛T發現具有聚集誘導發光(AIE)效應的有機小分子四-(4-硝基苯)乙烯(TPE-4N)具有熒光“開關轉換”的特性：材料以結晶態形式存在時幾乎不發光，但在研磨轉變為非晶態后發出強烈的綠色熒光，而且該小分子在玻璃、金屬等表面上具有優異的成膜性能?；谏鲜霈F象，科研人員采用簡單的浸涂工藝制備了表面涂覆有TPE-4N的玄武巖纖維。對纖維的表面形貌進行觀察發現TPE-4N分子可在纖維表面形成一層均勻的涂層，此時纖維發出明亮的綠色熒光；當該纖維在150℃熱處理后，其表面的TPE-4N涂層發生了由無定型態向結晶態的相轉變，熒光幾乎完全猝滅。對熱處理后的玄武巖纖維試樣進行拉伸，發現拉伸前試樣基本沒有熒光，但當纖維在應力作用下發生部分斷裂后，此時由于纖維表面涂覆的TPE-4N結晶涂層受到破壞而轉變為非晶態，這使得試樣重新發出明顯的綠色熒光。

科研人員將上述纖維包埋在柔性高分子基體(聚二甲基硅氧烷，PDMS)基體中制備出玄武巖纖維增強FRP試樣(BFRP)，并對其在拉伸條件下的熒光行為進行了研究。研究發現 TPE-4N/BFRP 試樣的脫粘應變(6.29%)與 BFRP試樣的脫粘應變(6.93%)基本相同，這表明在界面處引入TPE-4N對BFRP的力學性能的影響較小。TPE-4N/BFRP試樣在拉伸應變達到5.25%時出現了灰度值的突變，早于其完全脫粘時的應變(為 6.29%)，表明 TPE-4N可以用于BFRP材料的早期界面脫粘預警檢測。簡而言之，通過檢測BFRP材料熒光信號的強弱，即可評價相應材料的健康狀況，該方法為實時預測材料的壽命提供了一種新的途徑。(新疆理化技術研究所)